La producción mundial de maní genera más de 10 millones de toneladas de desechos que se acumulan cada año en forma de cáscaras desechadas, pero ahora los científicos han descubierto un método para convertir esta biomasa en materiales de carbono similares al grafeno.
El grafeno se basa en el carbono y a menudo se describe como un material “maravilla”: es súper fuerte, súper liviano y un excelente conductor de calor y electricidad. Ya se utiliza ampliamente y promete mejorar significativamente la electrónica de consumo en el futuro.
Sin embargo, también es difícil de producir a escala y costoso de fabricar, por lo que los métodos alternativos para fabricar grafeno podrían generar importantes impulsos para los sistemas de energía, el almacenamiento de datos y otras tecnologías modernas.
Dirigida por un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia, la nueva investigación muestra que la humilde cáscara de maní tiene el potencial de impulsar la producción de grafeno, y de una manera que es más barata y ecológica que algunos enfoques convencionales de síntesis de grafeno.
“La mayor parte de los desechos del caparazón se descartan o se reciclan en aplicaciones de bajo valor que no maximizan todo su potencial”, dice el ingeniero mecánico de la UNSW, Guan Yeoh.
“Lo que hemos demostrado en este trabajo es que las cáscaras básicas de maní se pueden convertir en grafeno de alta calidad, usando mucha menos energía de la que se requiere actualmente y, por lo tanto, a un costo menor. Tampoco necesitamos usar ningún químico, por lo que hay un beneficio ambiental adicional”.
La clave del proceso es la lignina, un polímero natural que está lleno de carbono y se encuentra en la mayoría de las plantas. Ya se sabía que estaba presente en las cáscaras de maní, pero los investigadores tenían que encontrar la mejor manera de procesarlo.
El equipo probó varios métodos para preparar los desechos de la cáscara para desbloquear esa lignina, antes de aplicar un proceso conocido como calentamiento flash por julios (FJH). Utiliza un “destello” de electricidad para cocinar el material a temperaturas superiores a los 3.000 grados Celsius (5.432 grados Fahrenheit) durante apenas milisegundos. Esta explosión instantánea de calor reordena los átomos de carbono en estructuras grafíticas, incluido el grafeno turboestrático de pocas capas.
Si bien el FJH hizo la mayor parte del trabajo pesado, la forma en que se prepararon los proyectiles para el FJH fue crucial. Los investigadores descubrieron que la mejor opción era un pretratamiento por etapas que implicaba calentamiento Joule indirecto a aproximadamente 500 °C durante 5 minutos, seguido de un paso corto a mayor temperatura.
Esto eliminó las impurezas y convirtió las conchas en carbón. – otro material rico en carbono que es mucho más conductor que las cáscaras en bruto.
“Ese proceso es vital para eliminar las impurezas y brindarnos el mejor material rico en carbono para ayudar a garantizar que haya defectos mínimos en el grafeno final y que, de hecho, sea solo una capa de átomos”, dice Yeoh.
“Eso es lo que se desea y se necesita para garantizar que tenga las mejores propiedades en términos de conducción de electricidad y calor”.
Aunque ya se ha experimentado con el proceso de cáscara de maní a grafeno, este estudio destaca cómo controlar cuidadosamente el material precursor puede mejorar significativamente la calidad del grafeno resultante.
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Sin embargo, eso no quiere decir que el proceso sea perfecto todavía. El material de grafeno resultante obtiene una puntuación alta en términos de calidad, pero normalmente está compuesto por unas pocas capas de grafeno apiladas en una disposición turboestrática, y la técnica podría tardar de tres a cuatro años en ampliarse para uso comercial, señalan los investigadores.
Continuará el trabajo para perfeccionar aún más el proceso a partir de esta prueba de concepto basada en laboratorio. Mientras tanto, los investigadores quieren ver si su enfoque de preparación y calentamiento personalizado podría funcionar con otros tipos de biomasa.
“Estamos planeando también realizar experimentos con otros materiales, como posos de café, cáscaras de plátano o cualquier otra cosa que pueda darnos ese buen carbón para luego convertirlo en grafeno”, dice Yeoh.
“Teniendo en cuenta la cantidad de material orgánico como ese disponible, nuestro trabajo demuestra un buen equilibrio entre la eficiencia energética, la calidad del grafeno que obtenemos y la viabilidad económica de todo el proceso”.
La investigación ha sido publicada en Chemical Engineering Journal Advances.