Desde su descubrimiento, los nanotubos de carbono han atraído la atención de los científicos de todo el mundo. Este extraordinario interés proviene de sus extraordinarias propiedades estructurales, mecánicas y electrónicas, que hace a estos materiales atractivos para su uso en múltiples aplicaciones. Aunque los nanotubos de carbono son químicamente inertes, su funcionalización les hace adquirir propiedades físicoquímicas adicionales.
Pudimos ver un ejemplo de esto en la mejora de las propiedades mecánicas en las palas empleadas en las turbinas eólicas, en este caso, veremos una aplicación que ayuda a mejorar las propiedades eléctricas de ciertos componentes.
Pero, ¿Qué son los nanotubos de carbono?
Los nanotubos de carbón (CNTs) son formas alotrópicas del carbono que forman estructuras cilíndricas con un radio que puede ser de solo unos pocos nanómetros y una longitud que puede ser de hasta 20 cm. Los CNTs se pueden ver como una lámina de grafeno enrollada, formando los llamados nanotubos de pared sencilla (SWNTs, Fig.1a). Si hay más de una lámina de grafeno enrollada en el mismo tubo se forman los llamados nanotubos de pared múltiple (MWNTs, Fig.1b), que incluyen los de doble pared (DWNTs) (Fig.1c).
Pudimos ver un ejemplo de esto en la mejora de las propiedades mecánicas en las palas empleadas en las turbinas eólicas, en este caso, veremos una aplicación que ayuda a mejorar las propiedades eléctricas de ciertos componentes.
Pero, ¿Qué son los nanotubos de carbono?
Los nanotubos de carbón (CNTs) son formas alotrópicas del carbono que forman estructuras cilíndricas con un radio que puede ser de solo unos pocos nanómetros y una longitud que puede ser de hasta 20 cm. Los CNTs se pueden ver como una lámina de grafeno enrollada, formando los llamados nanotubos de pared sencilla (SWNTs, Fig.1a). Si hay más de una lámina de grafeno enrollada en el mismo tubo se forman los llamados nanotubos de pared múltiple (MWNTs, Fig.1b), que incluyen los de doble pared (DWNTs) (Fig.1c).
Los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores lo que, junto a sus propiedades mecánicas y estructurales, los hacen especialmente atractivos. Su poca reactividad química también es atractiva para muchas aplicaciones, pero la posibilidad de su funcionalización química y las propiedades y aplicaciones que se derivan de la misma (almacenamiento de hidrógeno, almacenamiento y conversión de energía, etc) hace de este un campo muy importante de la química actual.
¿Qué es un supercondensador?
Un supercondensador consiste, esencialmente, en dos electrodos de carbono separados por una membrana permeable de iones sumergidos en un electrolito. La función de un supercondensador se mide en términos de la potencia y de la densidad de energía almacenada.
Actualmente, los supercondensadores son fabricados con carbón activado, que es extremadamente poroso y con una gran área superficial. En esta clase de carbón obtenido, los poros son irregulares en tamaño y forma, reduciendo, de esta manera, la eficiencia. En cambio, los CNTs alineados verticalmente en el supercondensador poseen formas muy regulares y un ancho del orden de varios diámetros atómicos a la vez que presentan una menor resistencia, lo que incrementa su densidad de energía.
Nanotubos y almacenamiento energético
En almacenamiento de energía el uso de diferentes tipos de CNTs permite el desarrollo de diferentes clases de supercondensadores. Por ejemplo, los nanotubos de por sí ya se han usado como electrodos en supercondensadores de doble capa electroquímica, mientras que nanotubos modificados con, por ejemplo, ciertos polímeros u óxidos metálicos se pueden usar en pseudocondensadores.
En los supercondensadores de doble capa electroquímica la energía se almacena por atracción electrostática, lo que hace que las densidades de potencia y los ciclos de vida de estos dispositivos sean muy altos. La buena conductividad eléctrica y la alta área superficial de los CNTs los hace muy prometedores como materiales de electrodo de estos dispositivos.
En los pseudocondensadores la energía se almacena por reacciones electroquímicas de oxidación y reducción, por lo que son dispositivos que tienen mayores densidades de energía. Los nanotubos modificados o funcionalizados con compuestos electroquímicamente activos son unos materiales de electrodo muy prometedores para estos dispositivos.
Almacenamiento de hidrógeno
La gran superficie y estructura tubular de los CNTs hace que puedan ser útiles para el almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno se añade a los nanotubos por quimisorcion, puesto que los enlaces de los carbonos que forman el nanotubo ofrecen capacidad hasta su saturación incorporando hidrógenos.
Por ejemplo, en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) se está trabajando acerca de ello. La idea consiste en depositar nanotubos en el interior de una cámara a presión. Se deja entrar el hidrógeno en dicha cámara y pasado un tiempo se deja salir de la misma. La cantidad de gas saliente es menor que la entrante. Por tanto, se cree que el hidrógeno queda incorporado al nanotubo.
Trabajando sobre esta idea, se ha comprobado la capacidad de absorción del hidrógeno en diferentes estructuras de nanotubos. Así, un paquete de double-walled carbon nanotubes (DWNT) puede absorber hasta el doble de lo que hacen los SWNTs. A partir de la comparación de los planos de grafito de SWNTs, con extremada pureza, uniformidad y apenas trazas de impurezas, y de DWNTs, con un alto ordenamiento, pero con empaquetamiento más ligero, en un conjunto hexagonal, se ha encontrado que estos últimos presentan una mayor estabilidad para la absorción de H2. Esto se debe a que la matriz de nanotubos presenta poros a los que pueden unirse las moléculas de H2, y que dada la accesibilidad de éstos y el más profundo potencial molecular consecuencia del solapamiento de los potenciales moleculares por la doble pared, la absorción es mucho mayor, a pesar de tener un área un 40% menor que los SWNTs.
Uso y optimización de nanotubos de carbono a gran escala
Si tenemos la finalidad de almacenar cuanta más energía para poder utilizar esta de manera que aporte autonomía a ciertos sistemas: desde coches eléctricos al sistema eléctrico conviene el uso de los enlaces covalentes entre los nanotubos que dan origen a las reacciones de oxidación y reducción típicas de los pseudocondensadores.
Para optimizar los CNTs usados en los pseudocondensadores es necesario encontrar un método químico de funcionalización adecuado. Los métodos sin enlace covalente entre el CNT y el compuesto que lo modifica son menos adecuados que aquellos que forman un enlace covalente, como puede ser una oxidación química o una reducción de sales de diazonio aromáticas. Este último método tiene la ventaja adicional de que los grupos funcionales añadidos a los CNTs pueden usarse en otras reacciones químicas, como por ejemplo para la adición de diferentes moléculas.
Sin embargo ninguno de los métodos de funcionalización de los CNTs desarrollados hasta ahora son suficientemente adecuados, lo que hace de éste uno de los campos de más interés en la química de materiales, ya que repercutiría no solo en mejores supercondensadores sino en la posible viabilidad de todo un abanico de aplicaciones para los nanotubos.
Referencias para profundizar:
- Harris, P.F. (1999). Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials for the Twenty-first Century, Cambridge University Press: Cambridge.
- Martín Gil FJ y Martín Gil J. “Sistemas de almacenamiento del hidrógeno en nanotubos de carbono: nuevos métodos de síntesis de nanotubos de carbono”. Caja España. Premio de Investigación sobre Energías Renovables 2005
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