Nanotubos de carbón
Actualmente se están investigando muchos métodos novedosos con hidrógeno que ofrecen el potencial de una mayor densidad de energía que los métodos convencionales. Estos incluyen el almacenamiento de hidrógeno en nanotubos de carbono. Los nanotubos de carbono son estructuras únicas con propiedades electrónicas y mecánicas excepcionales. Un nanotubo de carbono es una red hexagonal de átomos de carbono que a menudo se han enrollado formando un cilindro. El tamaño de estas estructuras suele ser de un nanómetro de ancho y decenas de micrones de largo. La definición de nanotubo de carbono es:
Grandes moléculas de carbono puro que son tubos largos y delgados. Son 100 veces más resistentes que el acero con 1/6 del peso. Se pueden utilizar como conductores eléctricos y de calor, almacenamiento de hidrógeno y muchas otras aplicaciones.
Los nanotubos de carbono son potencialmente útiles para muchas aplicaciones en nanotecnología, electrónica, óptica y ciencia de materiales por su conductividad eléctrica, conductividad térmica y alta resistencia. Bajo un microscopio electrónico, el material de los nanotubos parece una estera de cuerdas de carbono, como se muestra en la Figura 1. Estas cuerdas miden de 10 a 20 nm de ancho y hasta 100 micrones de largo. Cada cuerda consta de un haz de nanotubos de pared simple alineados en una sola dirección.
Figura 1. Imagen SEM de nanotubos de carbono alineados de aproximadamente 20 um de largo1
Hay muchos tipos de nanotubos de carbono, pero los que se usan comúnmente se pueden clasificar como nanofibras de grafito, nanotubos de pared simple (SWNT) o nanotubos de pared múltiple (MWNT). Las nanofibras grafíticas se obtienen rompiendo hidrocarburos o monóxido de carbono mediante catalizadores adecuados, y las estructuras pueden ser una disposición de plaquetas, cintas o espigas. Las nanofibras grafíticas varían de 50 nm a 100 nm de longitud y de 5 a 100 nm de diámetro.
Los nanotubos de pared simple (SWNT) son importantes porque exhiben propiedades eléctricas excepcionales y son un buen candidato para miniaturizar la electrónica. Los SWNT pueden reemplazar los cables eléctricos en la escala microelectromecánica (MEM). El principal obstáculo para su uso generalizado es que su producción es costosa.
Los nanotubos de paredes múltiples (MWNT) constan de múltiples capas de nanotubos de carbono para formar una forma cilíndrica. Estas estructuras parecen rollos de cilindros o páginas de periódico enrolladas formando un cilindro. Tanto los nanotubos de carbono de pared simple como los de pared múltiple tienen superficies de grafito suaves y altamente ordenadas. Por lo general, se preparan mediante un arco eléctrico dibujado entre dos electrodos de carbono, ablación con láser o deposición química de vapor. La Figura 2 muestra un esquema de un nanotubo de carbono de pared simple y de pared múltiple.
Figura 2: Representación esquemática de un nanotubo de pared simple (SWNT) y un nanotubo de paredes múltiples (MWNT)2
Aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno y pilas de combustible
Los nanotubos de carbono han encontrado muchos usos en aplicaciones energéticas. Los nanotubos de carbono pueden almacenar hidrógeno, permitir el flujo de electrones o aumentar la actividad del catalizador. En la investigación de pilas de combustible, se han añadido nanotubos de carbono a la mezcla catalizadora de platino/carbono en el ánodo para mejorar la eficiencia de las reacciones del catalizador en la pila de combustible. También se han utilizado nanotubos de carbono dopados con nitrógeno para reducir el oxígeno en el cátodo de las pilas de combustible. Mediante la alineación vertical, los nanotubos de carbono pueden reducir el oxígeno en la solución alcalina de manera más efectiva que el platino.
Se han realizado investigaciones con nanotubos de carbono utilizados para almacenar pequeñas cantidades de hidrógeno a temperaturas y presiones ambientales. Varios grupos han investigado esta tecnología como almacenamiento de hidrógeno para alcanzar los puntos de referencia del Departamento de Energía de EE. UU. de 62 kg H2/m3 y 6,5 por ciento del peso de hidrógeno almacenado con respecto al peso total del sistema para vehículos con pila de combustible de hidrógeno. Se han investigado las nanofibras grafíticas, los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) para el almacenamiento de hidrógeno y tienen una amplia gama de valores de absorción de hidrógeno. La Tabla 1 muestra el almacenamiento estimado de algunos absorbentes a base de carbono para un automóvil.
Tabla 1: Almacenamiento estimado de absorbentes a base de carbono diseñados para un alcance de 640 km en un automóvil equivalente a gasolina de 34 km/L3
Aún no se ha llegado a un consenso entre los científicos sobre la cantidad de hidrógeno que pueden contener las nanofibras de grafito, SWNT y MWNT. Los resultados experimentales suelen ser difíciles de interpretar debido a la pureza del material y a pequeñas diferencias en la técnica experimental. Estudios más recientes sobre nanotubos de carbono están empezando a mostrar cierta coherencia y reproducibilidad en los experimentos. Este tema es algo controvertido y aún queda por demostrar la viabilidad práctica del almacenamiento de hidrógeno con nanotubos de carbono.
En las células solares, las células se han desarrollado utilizando una mezcla de nanotubos de carbono y Buckyballs de carbono. Las buckybolas pueden atrapar electrones, pero no pueden hacer que los electrones fluyan. Dado que los nanotubos actúan como cables de cobre, pueden hacer que los electrones fluyan hacia la carga.
Resistencia de los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono son algunos de los materiales más fuertes y rígidos jamás descubiertos. Esta alta resistencia los hace útiles para mejorar la resistencia de otras estructuras y materiales no sólidos. Un estudio publicado en la revista Nature determinó que las nanoestructuras de carbono probablemente están presentes en el acero de alta resistencia y este fue probablemente uno de los factores que explicaron la fuerza legendaria de las espadas antiguas.
Debido a la alta resistencia y las propiedades mecánicas superiores de los nanotubos de carbono, los nanotubos se pueden incorporar a materiales para promover una alta resistencia y una tenacidad inigualable. Una posibilidad que podría impulsar el desarrollo de todo tipo de nuevos diseños y tecnologías de ingeniería es colocar moléculas de nanotubos de carbono en una matriz polimérica para formar un material compuesto de súper alta resistencia. Esto permitiría el almacenamiento de hidrógeno a presiones extremadamente altas para pilas de combustible, chalecos y prendas de vestir súper antibalas y muchos otros tipos de nuevas tecnologías.
Conclusión
Los nanotubos de carbono tienen aplicaciones útiles como catalizadores de pilas de combustible, almacenamiento de hidrógeno y muchas otras aplicaciones. El principal obstáculo que prohíbe el uso generalizado de nanotubos de carbono en aplicaciones novedosas es la economía del proceso de síntesis. Por lo tanto, las investigaciones futuras deberían centrarse en la creación de un proceso rentable para producir nanotubos de carbono en masa. Debido a su probada estabilidad y propiedades eléctricas y mecánicas, se produciría una adopción generalizada de los nanotubos de carbono en muchas aplicaciones, lo que a su vez produciría numerosas mejoras en materiales y aplicaciones energéticas.
Fuentes
1 Dyatlova, Olga & Gomis-Bresco, Jordi & Malic, Ermin & Telg, Hagen & Maultzsch, Janina & Zhong, Guofang & Geng, Junfeng & Woggon, Ulrike. (2012). Efectos del cribado dieléctrico sobre las energías de transición en nanotubos de carbono alineados. Revisión física B. 85. 10.1103/PhysRevB.85.245449.
2 «Nanotubos de carbono – Nanocompuestos de polímeros», libro editado por Siva Yellampalli, ISBN 978-953-307-498-6, Publicado: 17 de agosto de 2011 bajo licencia CC BY-NC-SA 3.0.
3 Klos, H. “Viabilidad técnica y económica de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno con nanoestructuras de carbono”. XII Conferencia Mundial sobre la Energía del Hidrógeno. vol. 2, 1998, págs. 893–898. Pettersson, Joakim y Ove Hjortsberg. «Alternativas de almacenamiento de hidrógeno: una evaluación tecnológica y económica». Diciembre de 1999. Volvo Teknisk Utveckling AB. Chen, P, X. Wu, J. Lin y K.L. Broncearse. «Alta absorción de H2 por nanotubos de carbono dopados con álcalis bajo presión ambiental y temperaturas moderadas». Ciencia. vol. 285, núm. 5424, 1999, págs. 91–93.
