El gran reto de los materiales de carbono

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José Miguel Vera Robles
hace 7 años
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1 El gran reto de los materiales de carbono Rosa Menéndez Grupo de Materiales Compuestos, Instituto Nacional del Carbón, CSIC, Oviedo, España INCAR INCAR MINISTERIO DE CIENCIA E INNOVACIÓN

2 Materiales de Carbono Capacidad de diseño del material Variedad estructural Amplio abanico de aplicaciones Prometedor futuro en el campo de la energía

3 Versatilidad del elemento Carbono Fullereno (C60) Grafeno Ovaleno Grafito Antraceno C C C C C C C C C sp3 Propano C C C C C C sp 2π C C C C C C C C C C C C C C sp2 π Fluoreno C C C C C Benceno C C C C 2 C Coranuleno Diamante Adamantano

4 Materiales de carbono Espumas Fullerenos Carbones activados Coques Grafito Fibras Nanotubos Diamante (sintético) Carbono vítreo

5 Factores que definen la versatilidad estructural Carbón Petróleo AP Brea Precursor Polímeros termoestables Polímeros termoplásticos Biomasa Procesado Temperatura Tiempo de reacción Presión Tipo de atmósfera Sistema de agitación

6 Proceso de carbonización 600ºC Coque isótropo 200ºC 400ºC Mesógenos C Coque Anisotropo Grafito 2500 C Esferas de mesofase 600 C

7 Efecto de la composición del precursor. Variedad de estructuras de carbono 900 C C3 N 900 C C2-C3 C3 C2-C3 C3 C3 C3 40 µm

8 Aplicaciones tradicionales Producción aluminio (ánodo) Refractarios orno arco eléctrico (electrodo)

9 Aplicaciones de alta tecnología Industria aeroespacial Industria aeronáutica Medicina Energía (Prótesis) (fusión nuclear) Deporte (competición) Obras civiles

10 Precursor. Mejoras medioambientales Producción de ánodos de carbono a partir de pastas de baja toxicidad en la producción de aluminio Contenido en 14 PA tóxicos según EPA 2 0 CTP-A AB30 CTP-A Benzo[a]Pireno (ppm) AB45 AB LT CARBON ANODE mm 6 GREEN ANODE PA (ppm x 10 4 ) 8 PP-B AB PP-B 904 Colaboradores

11 Precursor. Revalorización de subproductos ALQUITRÁN COLUMNA de destilación NAFTAS ACEITE NAFTALENO ACEITE DE LAVAJE ACEITE DE ANTRACENO BREA Proyecto Europeo ECOPITC Alvarez, P., Granda, M., Sutil, J., Santamara, R., Blanco, C., Menendez, R., Fernandez, J.J., Viña, J.A. Environ. Sci. Technol. 43 (2009),

12 Versatilidad del precursor. Aceite de antraceno P-1a (440 C/3h) P-2 (440 C/3h) P-3a (440 C/3h) 70 vol.% 50 vol.% 40 vol.% P-4a (440 C/3h) 37 vol.% 100 µm P-1a (1000 C/1h) P-2 (1000 C/1h) P-3a (1000 C/1h) P-4a (1000 C/1h) 100 µm Severidad de las condiciones de reacción Variando las condiciones de obtención de las breas de aceite de antraceno se pueden obtener materiales con distintas texturas ópticas y, por tanto, con distintas propiedades

13 Variedad de materiales y aplicaciones Preparación de coque de aguja a partir de brea de aceite de antraceno en dos etapas optimizando los tiempos de reacción orno arco eléctrico (electrodo) C1 C2 C3 A A El tiempo de procesado condiciona la estructura microcristalina del coque C4 C5 C6 50 µm

14 Variedad de materiales y aplicaciones Fibras de carbono a partir de aceite de antraceno Mesofase ilado Fibra verde Liquid mesophase Estabilización Spinerette Fibra estabilizada Fibra verde Carbonización Grafitización Electric furnace Nitrogen pressure Propiedades viscolásticas Partículas sólidas Velocidad de hilado El control de las condiciones de hilado/estabilización permite obtener fibras con buenas propiedades superficiales Fibra de carbono Proyecto Europeo EUROFIBRE Proyecto PSE LIGT CARBON CARS

15 Variedad de materiales y aplicaciones Materiales compuestos carbono-carbono Combinan las propiedades mecánicas de los materiales reforzados con fibra (resistencia específica, rigidez y tenacidad) con las propiedades refractarias típicas de los materiales de carbono. Mejoran sus propiedades mecánicas con la temperatura.

propiedades a alta temperatura - Alta conductividad térmica - Elevada resistencia al choque térmico - Bajo Z - Temperatura de fusión elevada - Elevada

16 Variedad de materiales y aplicaciones Materiales en condiciones extremas: La energía nuclear de fusión Condiciones de operación extremas!!! T (3) D (2) e (4) n Elevadas temperaturas Tensiones térmicas Alta irradiación por partículas procedentes del plasma MATERIALES COMPUESTOS C/C - Excelentes propiedades a alta temperatura - Alta conductividad térmica - Elevada resistencia al choque térmico - Bajo Z - Temperatura de fusión elevada - Elevada velocidad de erosión a alta temperatura - Disminución de la conductividad térmica por irradiación de neutrones - Alta retención de tritio O - Baja resistencia a oxidación AD C P TI O D ON C

17 Variedad de materiales y aplicaciones Materiales compuestos C/C reforzados en 3 direcciones Precursor de matriz: Brea de mesofase Brea de mesofase dopada con TiC (80 nm) Refuerzos 3D1 3D2 Z (aces de fibra PAN) Y (aces de fibra PAN) X (aces de fibra de brea de mesofase) MATERIAL %.Ti Porosidad (%) Densidad geométrica (g/cm3) Conductividad térmica (W/mK) (x-dir.) U-3D Ti-3D1 ~2, U-3D Ti-3D2 ~2, TO CO C E ÍTI F E AL T A C

18 Variedad de materiales y aplicaciones Ev a lu a c ió n d e l c o m p o rta m ie n to d e e ro s ió n d e l m a te ria l c o m p u e s to (h e a t flux) - La m a triz m ue s tra m e jo r re s is te n c ia q u e la s fib ra s UNDOPED 1 0x Ti-DOPED Un d o p e d Pa rtic le s e m is s io n 1x 10µm Su b lim a tio n 10µm Mayor eros ión en fibras P AN debido a s u menor conductividad UNDOPED 1 00x 1 0x Ti-DOPED Proyecto 2µm Materiales dopados con Ti mues tran comportamiento frente a la eros ión 10µm un mejor A. Centeno, R. Santamaría, M. Granda, R. Menéndez, C. BlancoJournal of Analytical and Applied Pyrolysis, 86, 1, 2009, Ti-d o p e d

19 Aplicaciones en energía

20 Año 1900 Actualidad El uso indiscriminado de combustibles fósiles está dañando seriamente el equilibrio del planeta

21 Economía del idrógeno

22 Materiales para almacenamiento energetico Vehículos eléctricos Dispositivos portátiles Renovables Las energía renovables requieren almacenamiento de energía para su implantación. Picos de demanda Baterías ión Li Supercondensadores (alta densidad potencia) (alta densidad energía) e- - e- A e- e- Li e- Li e- Li e- eee- Li LixC6 Electrolyte Li(1-x)MO2

23 Baterias ion litio Materiales compuestos carbono-níquel Ciclado 800 VR-20NiO(750-6) VR-10NiO(750-6) VR-1Ni(750-6) VR-0(750-6) -1 Capacidad (mahg ) 700 La capacidad de insertar Li depende de la estructura cristalina del material Grafito Nº de Ciclo La mejora en el comportamiento electroquímico se debe al efecto sinérgico de : Reacciones de conversión del litio con sulfuros de níquel Inserción del litio en el material de carbono Colaboradores El Ni metal pudiera contribuir a aumentar la conductividad electrónica A. Concheso, R. Santamaría, R. Menéndez, J.M. Jiménez-Mateos, R. Alcántara, P. Lavela, J.L. Tirado Electrochimica Acta, 52, 3, 2006,

24 Supercondensadores Esquema básico de un supercondensador separador electrodo colector de corriente Doble capa eléctrica C=εS/d El alto valor de S en los materiales de C y la baja d de la doble capa son los responsables de la alta capacidad de los supercondensadores

25 Supercondensadores Brea de mesofase 250 Cesp (F/g) Preparación de carbones activados con mayor capacidad de almacenamiento de energía 200 Comercial Aerogel Nanotubos 50 0 Ce (F/g) 800 0, ,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 La incorporación de aditivos al electrolito permite multiplicar por 3 la capacidad de almacenamiento de energía Carbón activado INCAR 200 0,4 Voltaje (V) Carbón activado INCAR Cambio de electrolito 600 0,3 Muestra comercial I (m A/cm 2) V. Ruiz, R. Santamaría, M. Granda, C. Blanco Electrochimica Acta, Volume 54, Issue 19, 30 July 2009, Pages Colaboradores

26 Mirando al futuro Desalinización de aguas Baterías de flujo redox Producción de hidrogeno Catálisis

27 Materiales de carbono en fotocatálisis Efecto sinérgico del material de carbono sobre la actividad fotocatalítica del TiO2 Nuevos carbones activados Nanotubo de Carbono Grafenos Negros de carbono TiO2 Fibras de Carbono Catalizador Proyecto CONSOLIDER 2010 MULTICAT

28 Fotocatálisis multifuncional. Reacciones en cascada Producto 1 Producto Final Producto 2 Organometálico Complejo Grupo ácido o básico Catalizador soportado Esquema de un catalizador multi-funcional soportado para reacciones en casacada

29 Perspectivas de futuro de los materiales de carbono Amplio abanico de materiales de muy diversas propiedades. Capacidad de controlar materia a escala nanométrica. Su implantación en el mercado requiere superar barreras comerciales y de producción relacionadas con costes, cantidades y garantía de suministro de materias primas. Necesidad de inversión y legislación mas estricta que fuerce o potencie el uso de nuevas tecnologías mas sostenibles (materiales compuestos en automoción).

30 El grupo de investigación

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