Grafeno en 3D para almacenar grandes cantidad de hidrógeno

Uno de los muchos retos a los que se tiene que enfrentar el hidrógeno para ser una alternativa viable, es su almacenamiento. En la actualidad este se realiza en pesados y voluminosos depósitos. Pero ahora un equipo de investigación ha presentado los primeros resultados de una alternativa donde se usará grafeno en 3D para almacenar hidrógeno de forma más eficiente.

El grafeno es una modificación del carbono y tiene una estructura bidimensional. Los átomos de hidrógeno se pueden almacenar temporalmente en sus superficies y luego reutilizarse para varios procesos. Pero para almacenar la mayor cantidad posible de hidrógeno, se necesitan grandes superficies. Esto se debe a que las propiedades de la capa de grafeno solo se pueden utilizar de manera óptima si hay una cantidad máxima de área de superficie activa en un volumen mínimo.

Para obtener un área de superficie máxima que permita aumentar la capacidad, y hacerlo además en un tamaño lo más pequeño posible, el grafeno debe transferirse de una disposición bidimensional a una estructura tridimensional.

Esta ha sido la idea del equipo del Instituto de Nanociencia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) en Pisa, Italia. Estos explican que para lograr ser competitivo desde el punto de vista económico, un depósito debería poder almacenar al menos 5 kilogramos de hidrógeno, sin exceder un peso de 100 kilos o sobrepasar un volumen de 100 litros. Pero para almacenar esta cantidad de hidrógeno usando una estructura bidimenisonal del grafeno, se requieren más de 10 kilómetros cuadrados de grafeno. Algo inviable que les ha llevado a explorar la posibilidad de una disposición tridimensional.

El grupo de investigación logró desarrollar un proceso electroquímico que hace posible grabar pequeños agujeros y canales en ciertos materiales, como el carburo de silicio semiconductor. El proceso consta de varios pasos que utilizan disolventes muy específicos, corriente eléctrica e irradiación UV.

Los responsables del proyecto han explicado lo que significa la aplicación de este proceso en términos de almacenamiento del vector.

“El grafeno puede unir (almacenar) hidrógeno molecular y elemental en la superficie. Sin embargo, a temperatura ambiente, solo el hidrógeno elemental se une bien al grafeno. El hidrógeno molecular, por otro lado, forma solo un enlace muy débil con la superficie del grafeno. Mediante la funcionalización selectiva («injerto») de la superficie de grafeno, la capacidad de «almacenamiento» de la superficie de grafeno puede aumentar significativamente incluso a temperatura ambiente. La cantidad de hidrógeno que se puede almacenar está determinada por el área de superficie de grafeno presente: cuanto más grafeno, más hidrógeno se puede almacenar”.

Hay diferentes formas de producir grafeno. Una de ellas es usando carburo de silicio (SiC), un cristal compuesto de silicio y carbono. Los últimos trabajos han indicado que es posible crear material bidimensional de grafeno sobre un sustrato tridimensional. Para ello, el carburo de silicio se hizo poroso de manera específica y su superficie se convirtió posteriormente en grafeno.

Si la superficie del carburo de silicio se calienta a altas temperaturas y una presión ambiental ultrabaja, el silicio se evapora y el carbono permanece. Para obtener posteriormente una capa de grafeno en una superficie 3D, los investigadores desarrollaron un proceso de grabado electroquímico que convierte el carburo de silicio sólido en la nanoestructura porosa deseada. Este proceso elimina aproximadamente el 42% del volumen. Luego, los investigadores calientan la nanoestructura restante en un alto vacío para desencadenar la formación de grafeno en la superficie.

De esta forma fue posible demostrar que el grafeno también se puede generar en una estructura 3D. Un descubrimiento que catalogan de revolucionario para el desarrollo de un depósito de hidrógeno capaz de almacenar unos pocos kilos de hidrógeno a baja presión y a temperatura ambiente.

Fuente | Sciencedirect