Cuando Ange Nzihou, experto en convertir los residuos de la sociedad en productos valiosos, visitó Princeton en 2022, trajo consigo una técnica para transformar la biomasa residual en grafeno, un material con muchos usos, desde baterías hasta células solares. Sabía que su enfoque utilizando un catalizador de hierro no tóxico ofrecía ventajas sobre los métodos existentes que dependen de productos químicos peligrosos, metales preciosos o combustibles fósiles.
Sólo había un problema:Nzihou no sabía exactamente cómo funcionaba el proceso.
"En mi trabajo como ingeniero químico, a menudo me interesan las propiedades finales de los materiales y cómo se pueden aplicar al mundo real", dijo Nzihou, un distinguido profesor de ingeniería química en IMT Mines Albi—CNRS en Francia, quien Visitó Princeton a través del programa Fulbright Visiting Scholar. "Pero si quieres optimizar las propiedades de los materiales que produce, tienes que entender qué sucede a escala nano y atómica para lograr la transformación".
Ahí es donde Claire White, profesora asociada de ingeniería civil y ambiental del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente, vino a ayudar.
Como anfitriona de la facultad de Nzihou, White aportó su experiencia en la caracterización de materiales a escala nano y atómica para descubrir el mecanismo que permitió al hierro ayudar a convertir la biomasa residual en grafeno.
El resultado no fueron sólo dos artículos, el primero publicado en ChemSusChem y el otro en NanoMateriales Aplicados , que detallan el mecanismo y la promesa de utilizar hierro como catalizador para transformar biomasa residual, como astillas de madera y otra biomasa rica en celulosa, en materiales de carbono con valor agregado. También fue una plataforma de lanzamiento para la colaboración continua entre los dos grupos, una que combinó la experiencia de cada grupo para agregar nuevas dimensiones a sus programas de investigación.
El grafeno, una lámina de carbono puro de solo un átomo de espesor, se fabrica comúnmente mediante deposición química de vapor, un proceso utilizado frecuentemente en la industria de los semiconductores para producir recubrimientos uniformes. Sin embargo, Nzihou dijo que la deposición química de vapor a menudo depende de productos químicos peligrosos y tecnologías costosas. Asimismo, dijo que las alternativas para la producción de grafeno normalmente emplean materiales tóxicos o de costo prohibitivo, así como el uso de fuentes basadas en petróleo.
En busca de una forma respetuosa con el medio ambiente de producir grafeno, Nzihou y White recurrieron a fuentes de biomasa infrautilizadas como material de partida para el proceso. Desafortunadamente, la mayor parte de esa biomasa es rica en celulosa, un polímero abundante que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. Se ha demostrado que la celulosa es difícil de convertir en materiales de carbono altamente ordenados, como el grafeno, sin el uso de catalizadores de metales tóxicos o de tierras raras debido a la estructura y disposición de sus enlaces químicos.
Pero Nzihou descubrió que un catalizador de óxido de hierro podría ser la solución. Al insertar hierro en la biomasa y calentarla en un ambiente con oxígeno limitado mediante un proceso conocido como carbonización, Nzihou demostró que era posible transformar biomasa rica en celulosa en un material final con extensas regiones de láminas de grafeno ordenadas.
"Ange había demostrado que era posible utilizar el hierro como catalizador", dijo White. "Pero la verdadera cuestión era tratar de entender cómo el hierro proporcionaba este comportamiento catalítico".
White recurrió a su experiencia en caracterización atómica y a nanoescala para obtener la respuesta. Utilizando técnicas como la dispersión total de rayos X, la espectroscopía Raman, la microscopía electrónica de transmisión y las mediciones magnéticas, los investigadores descubrieron que durante el proceso de calentamiento, el catalizador de óxido de hierro primero se descomponía para formar nanopartículas dentro de la biomasa. A medida que la biomasa rica en celulosa comenzó a disolverse a temperaturas más altas, precipitó en forma de capas de láminas de grafeno sobre la superficie de las partículas de hierro.
"De hecho, pudimos observar esta capa ordenada de átomos de carbono que se formó alrededor de esas nanopartículas de hierro durante el proceso", dijo White.
Curiosamente, Nzihou y White descubrieron que unas pocas nanopartículas de hierro más grandes sustentaban regiones de formación de grafeno más extensas que muchas otras más pequeñas, una pista útil que podría informar esfuerzos futuros para ampliar el proceso de convertir la biomasa residual en grafeno. Los investigadores también continúan perfeccionando el proceso para aumentar el tamaño de las regiones de grafeno puro y al mismo tiempo reducir la cantidad de defectos en el material final.
"Ahora que entendemos el mecanismo, podemos descubrir cómo mejorar el proceso y optimizar las propiedades de las láminas de grafeno en comparación con el método convencional de deposición química de vapor, e incluso considerar formas de ampliarlo en un futuro próximo". Dijo Nzihou. "Porque, al fin y al cabo, nuestro trabajo consiste en desarrollar materiales de carbono avanzados y respetuosos con el medio ambiente y, al mismo tiempo, cerrar el ciclo del carbono y mitigar las emisiones de dióxido de carbono".
Los investigadores dijeron que el proyecto les permitió aprovechar la experiencia de cada uno para avanzar en el campo de la utilización sostenible del carbono, y desde entonces la asociación inicial se ha unido a múltiples proyectos de investigación en curso.
"Ha sido una colaboración emocionante", dijo White. "Nunca me habría imaginado trabajando con estos materiales de carbono sostenibles, pero estos proyectos con Ange me han brindado una excelente oportunidad para ampliar mi trabajo y añadir nuevas dimensiones a mi investigación".
Para Nzihou, su estancia como becario Fulbright visitante resultó ser sólo un adelanto de lo que estaba por venir. Regresará al Centro Andlinger en marzo de 2024 como miembro visitante Gerhard R. Andlinger para continuar explorando formas de transformar fuentes infrautilizadas de biomasa en materiales de carbono avanzados con propiedades específicas para aplicaciones que van desde la agricultura hasta el almacenamiento de energía y CO2<. /sub> secuestro.
Con White, planea ampliar el alcance de su trabajo uniendo la experiencia de otros miembros de la facultad de Princeton, como Craig Arnold, Michele Sarazen y Rodney Priestley, para desarrollar una estrategia para la utilización sostenible del carbono. También pretende colaborar con el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) para explorar el uso de plasmas para impulsar diversos procesos de producción.
El primer artículo, "Síntesis y crecimiento de grafeno verde a partir de biocarbón revelado por propiedades magnéticas del catalizador de hierro", se publicó en noviembre de 2022 en ChemSusChem. . El segundo artículo, "Nanopartículas de hierro para catalizar la grafitización de celulosa para aplicaciones de almacenamiento de energía", se publicó en febrero de 2023 en Applied Nano Materials. .
Más información: Amel C. Ghogia et al, Síntesis y crecimiento de grafeno verde a partir de biocarbón revelado por las propiedades magnéticas del catalizador de hierro, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864
Lina M. Romero Millán et al, Nanopartículas de hierro para catalizar la grafitización de celulosa para aplicaciones de almacenamiento de energía, Nanomateriales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312
Proporcionado por la Universidad de Princeton
