Producción de grafeno mediante rutas electroquímicas

Las propiedades únicas del grafeno le convierten en un material prometedor en diversos campos, lo que ha llevado por ejemplo a la Unión europea al inicio de un programa de I+D muy ambicioso.¹ Estudios recientes de su síntesis mediante diferentes métodos han permitido avanzar en el problema crucial de su agregación, que está inducida por las fuertes interacciones π–π entre capas y por fuerzas tipo van der Waals. El desarrollo de métodos sintéticos de grafeno para aplicaciones a gran escala es otro de los grandes caballos de batalla, y las rutas electroquímicas son unas de las más prometedoras para alcanzar los objetivos deseables.

 Autora: Suheda ISIKLI – IMDEA Energía

La producción sostenible de energía, incluyendo su producción, almacenamiento, gestión y consumo, están siendo objeto de una creciente atención debido al impacto negativo del consumo de combustibles fósiles. De entre todas las tecnologías necesarias para una mayor implementación de las renovables la más crítica es probablemente la de su almacenamiento, ya que las tecnologías actuales no alcanzan los requisitos deseables.

En concreto, las tecnologías electroquímicas como las baterías o los supercondensadores necesitan combinar una mayor densidad de energía y una alta densidad de potencia. Las líneas de investigación más importante para ello buscan mejorar los materiales de electrodo y los electrolitos. Y entre los materiales de electrodo el grafeno es uno de los más prometedores.

El grafeno es una monocapa de carbones sp² ordenados hexagonalmente. Tiene una alta conductividad eléctrica intrínseca, una excelente conductividad térmica, una alta área superficial específica, una gran transmitancia óptica y una alta dureza mecánica. ² Sin embargo, las propiedades dependen fuertemente del método de síntesis usado.

Los métodos químicos sintéticos que se han propuesto hasta la actualidad para la producción del grafeno a partir de grafito producen en la mayoría de los casos defectos superficiales que deterioran las propiedades eléctricas del grafeno, además de usar procesos que no son medioambientalmente benignos. Por su parte, los métodos electroquímicos posibilitan una producción potencialmente más rápida, controlable y barata, pero han sido comparativamente poco estudiados des de la primera exfoliación electroquímica del grafito reportada por Liu et al. ³ 

En ese primer estudio se usó un método directo y sencillo para producir grafenos a partir de grafito en mezclas de líquido iónico (IL)/agua en las que los radicales hidroxilo y oxígeno producidos por oxidación anódica del agua empiezan la oxidación del grafito en sus escalones, facilitando a su vez la intercalación de aniones procedentes del líquido iónico. La alta constante dieléctrica del IL impide las interacciones de van der Waals entre capas que inducen el agrupamiento de grafenos y dan lugar a grafenos con propiedades eléctricas sin deteriorar.⁴ Estudios más recientes han obtenido grafeno por exfoliación electroquímica de grafito pirolítico altamente orientado (HOPG) en medio acuoso ácido,⁵ permitiendo vislumbrar una reducción drástica de costes en estos procesos.

Esquema 1. Ilustración del proceso de exfoliación del graffito en mezclas de líquido iónico y agua.⁴

El grafeno ya se ha usado como material de electrode en supercondensadores y baterías de ión litio, y ha mostrado una alta capacitancia específica, densidad de potencia y de energía, y larga ciclabilidad, además de una alta conductividad eléctrica,⁶ lo que le sitúa como un material muy prometedor para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía de prestaciones mejoradas, por lo que la pregunta a responder en este momento es si se puede desarrollar un método de síntesis del grafeno que pueda escalarse para su aplicación industrial. Considerando las ventajas de la ruta sintética electroquímica es de esperar que reciba una mayor atención en los esfuerzos para responder afirmativamente a esta pregunta.

Referencias

1.        http://www.graphene-flagship.eu/GF/index.php

2.        C. Xu, B. Xu, Y. Gu, Z. Xiong, J. Sun, and X. S. Zhao, Energy & Environmental Science, 2013, 1388–1414.

3.        J. C. N. Liu, F. Luo, H.Wu, Y. Liu, C. Zhang, Advanced Functional Materials, 2008, 1518.

4.        J. Lu, J. Yang, J. Wang, A. Lim, S. Wang, and K. P. Loh, ACS Nano, 2009, 3, 2367–2375.

5.        C.-Y. Su, A.-Y. Lu, Y. Xu, F.-R. Chen, A. N. Khlobystov, and L.-J. Li, ACS nano, 2011, 5, 2332–9.

6.        H. Zhang, X. Zhang, X. Sun, D. Zhang, H. Lin, C. Wang, H. Wang, and Y. Ma, ChemSusChem, 2013. DOI: 10.1002/cssc.201200904