Investigadores de la Universidad Texas A&M y ExxonMobil están desarrollando un método para reprocesar el coque de petróleo, un subproducto de la refinación del petróleo crudo, en una alternativa sustentable y de alto valor. Utilizando un proceso químico llamado exfoliación electroquímica, han convertido el coque de petróleo en grafeno, un nanomaterial con aplicaciones en electrónica, medicina y almacenamiento de energía.

Este estudio fue publicado en npj 2D Materials and Applications .

El petróleo crudo es una mezcla de muchos hidrocarburos diferentes, con porciones ligeras que van al gas natural, mientras que las porciones más pesadas forman materiales viscosos o incluso sólidos. Uno de los muchos productos que provienen de la refinación del petróleo crudo es el coque de petróleo sólido.

Aunque hay muchas formas de utilizar el coque de petróleo, como electrodos para la producción de acero y aluminio, este proceso libera emisiones de carbono dañinas. Por esta razón, la industria está buscando materiales de alto valor y bajas emisiones que puedan derivarse del petróleo crudo.

Una posible solución es reutilizar el coque de petróleo rico en carbono para generar grafeno, un material similar a una lámina versátil compuesto por una sola capa de átomos de carbono. Convencionalmente, el grafeno se exfolia del grafito. Los investigadores investigaron si algún proceso químico facilitaría la producción de grafeno a partir de materiales derivados de combustibles fósiles.

"Sabemos que el coque de petróleo contiene materiales similares al grafeno", dijo el Dr. Micah Green, profesor del Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin en Texas A&M. "Nuestro desafío era aislar el grafeno del material de partida".

Para lograr esta tarea, los investigadores recurrieron a la electroquímica. Colocaron coque en una solución electrolítica con un electrodo de trabajo y un contraelectrodo. Cuando aplicaron voltaje al electrodo de trabajo, las especies iónicas o los iones negativos del electrolito migraron entre las láminas de grafeno en un proceso llamado intercalación.

"Piense en el coque como un libro y el grafeno como cada hoja de papel individual", dijo Green. "Cuando el libro se coloca sobre su lomo, las páginas se abren en abanico y tienen más espacios entre ellas. El proceso de exfoliación electroquímica es similar".

Cuando el coque se expande, el grafeno se separa. Se crean iones negativos y se mueven hacia los espacios entre las hojas de grafeno, completando el subproducto del coque y la separación del grafeno.

Muchas aplicaciones de grafeno requieren una alta conductividad, pero se desconocía si el grafeno del coque de petróleo podría lograr tal rendimiento. El grafeno creado a partir del coque tenía una conductividad de 50 siemens por metro en comparación con una batería de iones de litio típica, cuya conductividad eléctrica es de unos 150-160 siemens por metro. Con un tratamiento térmico llamado recocido, los investigadores pudieron aumentar aún más la conductividad, haciéndola comparable a los electrodos en las baterías de iones de litio.

Con estos hallazgos, las aplicaciones de grafeno que han estado en desarrollo durante años podrían dar sus frutos.

"El futuro de la ampliación de nanomateriales está directamente relacionado con las corrientes existentes en la industria petroquímica, y anticipo muchos más casos en los que los productos químicos derivados del petróleo se conviertan en materiales de carbono de alto valor como el grafeno", dijo Green. + Explora más

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