Foto: El carbón diseñado podría jugar un papel en la reducción de emisiones de carbono de origen antropogénico.
Fabricado a base de cáscaras de coco o de trocitos de madera, el carbón activo tiene una variedad de usos, desde desodorantes para frigoríficos, filtros para la purificación de agua, hasta las pilas. Su principal característica es su estructura, parecida a la del queso suizo, llena de pequeños agujeros, o poros, que aumentan el área de superficie y potencian su capacidad de catalizar reacciones químicas y de almacenar cargas eléctricas. Pero el carbón activo tiene serias desventajas: los poros son de un tamaño irregular además de no estar conectados entre sí, y suele contener muchas imperfecciones.
Varios investigadores han hecho avances recientes en el desarrollo de "carbones de diseño" tuneables – es decir, que tanto el tamaño de los poros como la composición química se pueden ajustar según su aplicación. EnerG2, una empresa de Seattle (EEUU), por ejemplo, ha sido pionero en una serie de aplicaciones de carbón de diseño que incluyen pilas de iones de litio, depósitos de almacenamiento de gas natural, y otros sistemas de almacenamiento de energía.
Hacia finales de mayo, un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) publicó un trabajo sobre un carbón de diseño a nanoescala que es "versátil además de controlable", según la profesora de ingeniería química de la Universidad de Stanford, Zhenan Bao, también autor sénior del estudio en la revista ACS Central Science. El trabajo de Bao y su equipo supone un avance para los carbones de diseño ya comercializados porque reduce los costes – Bao dice que la materia prima cuesta menos de 10 dólares (unos 8,9 euros) por cada kilo de carbón producido – y emplea materiales precursores que hacen que el tamaño de los poros y la composición química sean más adaptables.
Estos avances podrían dar lugar a innovaciones revolucionarias en un abanico de aplicaciones de tecnologías limpias, incluido el almacenamiento de energía, la industria solar fotovoltaica, y, algún día, la captura de carbono.
"La producción de carbones de gran área de superficie con una composición química y una morfología controladas supone todo un reto", dice Bao. "Hay otros métodos disponibles actualmente, pero o son muy caros o no permiten controlar la estructura química y la morfología”.
El equipo de Bao empezó con un hidrogel, un polímero a base de agua que se conjuga: por su estructura central se alteran enlaces químicos individuales y dobles, lo que le proporciona rigidez para que sea capaz de resistir altas temperaturas sin deformarse. El material se ho ea a temperaturas de entre 300 y 400 grados centígrados.
Después se activa químicamente mediante hidróxido de potasio. De este proceso se obtienen láminas de carbón tan delgadas que incluso pueden medir tan sólo un nanómetro de grosor, con una estructura porosa en 3D cuya superficie compleja es prácticamente ilimitada: hasta 4.073 metros cuadrados por gramo, lo que equivale a un campo de fútbol por cada 10 gramos de carbón activo. Esto supone un récord, según Bao. Ajustar la temperatura de cocción y la composición química de los materiales precursores permite que el carbón de diseño se afine según su aplicación.
Foto: Láminas de carbón de diseño de un nanómetro de grosor ofrecen una mayor capacidad para el almacenamiento de energía, la industria solar fotovoltaica, y la captura de carbono.
Dos de las aplicaciones más prometedoras probadas por los experimentos del equipo de Stanford, son las pilas de litio y azufre y los supercondensadores. Las pilas de litio y azufre actuales aportan varias ventajas frente a los sistemas convencionales basados en iones de litio, pero también un serio defecto: son propensos a escapes de polisulfuro de litio, lo que impide el correcto funcionamiento de las pilas. Los poros de tamaño nanométrico del carbón de diseño impiden estos escapes.
Por su parte, los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que se cargan y descargan con gran rapidez. El equipo de Bao descubrió que los electrodos de supercondensador hechos a partir del nuevo carbón poseen una conductividad eléctrica tres veces superior a los fabricados mediante carbón activo convencional.
Las investigaciones de Bao siguen una trayectoria de años de avances prometedores en el carbón de diseño. La forma más conocida de carbón fabricado es probablemente el grafeno que forma un enrejado de carbón, en esencia una forma plana del grafito. Un par de investigadores de la Universidad de Manchester, Andre Geim y Konstantin Novoselov, ganaron el Premio Nobel de la Física en 2010 por su trabajo con el grafeno. Pero a pesar de sus propiedades novedosas y prometedoras, aún no se le han encontrado aplicaciones realmente innovadoras y la producción masiva global todavía no ha despegado.
Otra forma de carbón fabricado que se muestra prometedora son los nanotubos de carbono, lo que podría valer para numerosas aplicaciones, incluido el almacenaje de energía. En 2012, el científico del MIT Joel Schindall dio a conocer un método para el cultivo de "bosques" de nanotubos de carbono que se pueden emplear para la fabricación de supercondensadores, cuya capacidad de almacenaje iguala la de las pilas.
Sin embargo, la aplicación de mayor alcance para el carbón de diseño sería la captura de carbono – una tecnología de la que se viene hablando desde hace años, aunque parezca poco probable que se vuelva económicamente viable en un futuro próximo. El carbón de diseño con poros de cierto tamaño muestra mucha potencial para la selección de dióxido de carbono, que dentro de un sistema de captura se condensaría en la superficie del carbón sintético. EnerG2 tiene sus vistas puestas en la captura de carbono como la aplicación futura de su tecnología, según el fundador y CTO Aaron Feaver.
"Creo que es una posibilidad real", comenta Feaver. "Necesitamos encontrar la manera de mantener los costes bajos a la vez que conservemos un alto rendimiento del material, pero más adelante creo que será una opción viable”. El uso de carbón hecho por el hombre para salvar el medio ambiente con la captura de emisiones de carbono supondría un logro tecnológico irónico que podría cambiar el mundo.