El gran reto de los materiales de carbono

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El gran reto de los

materiales de

carbono

Rosa Menéndez

Grupo de Materiales Compuestos,

Instituto Nacional del Carbón,

CSIC, Oviedo, España

MINISTERIO DE CIENCIA E INNOVACIÓN INCAR INCAR INCAR

INCARINCARINCARINCAR

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• Capacidad de diseño del material

• Variedad estructural

• Amplio abanico de aplicaciones

• Prometedor futuro en el campo de la

energía

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C sp2₊π sp3 sp + 2π C C C C C C C C Diamante Adamantano Propano C H C C H C H H C C C H H H H H H H H C C H C H H H C C H C C H C H C H H C H H H C H C H C H C H C H CH CH CH C H C C H C H H H H Benceno H2 C Fluoreno Coranuleno Fullereno (C₆₀) Antraceno Ovaleno Grafito

Versatilidad del elemento Carbono

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

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Procesado •Temperatura •Tiempo de reacción •Presión •Tipo de atmósfera •Sistema de agitación •Polímeros termoestables •Polímeros termoplásticos •Biomasa Brea Carbón Petróleo HAP Precursor

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200ºC 400ºC Proceso de carbonización Esferas de mesofase 400-450 °C Coque Anisotropo 600 °C Grafito 2500 °C Mesógenos 600ºC Coque isótropo

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40 µm 900 °C CH₃ CH2-CH3 CH3 CH3 CH2-CH3 CH3 900 °C H H N CH3

Efecto de la composición del precursor. Variedad de estructuras de carbono

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Producción aluminio (ánodo)

Horno arco eléctrico (electrodo)

Aplicaciones tradicionales

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Aplicaciones de alta tecnología

Industria aeroespacial Industria aeronáutica Deporte (competición)

Medicina (Prótesis)

Energía

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15 0 m m GRE E N A NODE L T CA RBON A NODE 0 2 4 6 8

CTP-A AB30 AB45 PP-B

P AH (p pm x 1 0 4 ) Benzo[a]Pireno (ppm) CTP-A 8.276 AB30 4.958 AB45 3.297 PP-B 904

Contenido en 14 PAH tóxicos según EPA

Producción de ánodos de carbono a partir de pastas de baja toxicidad en la producción de aluminio

Colaboradores

Precursor. Mejoras medioambientales

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ALQUITRÁN C O LU MN A d e destil aci ón BREA NAFTAS ACEITE NAFTALENO ACEITE DE LAVAJE ACEITE DE ANTRACENO + Precursor. Revalorización de subproductos Proyecto Europeo ECOPITCH

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P-1a (440°C/3h) 70 vol.% P-2 (440°C/3h) 50 vol.% P-3a (440°C/3h) 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) 100 µm P-4a (1000°C/1h)

Versatilidad del precursor. Aceite de antraceno

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

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C1 A C2 A C3 C4 C5 C6 50 µm

Preparación de coque de aguja a partir de brea de aceite de antraceno en dos etapas

optimizando los tiempos de reacción

El tiempo de procesado condiciona la estructura

microcristalina del coque

Horno arco eléctrico (electrodo)

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Nitrogen pressure E lec tri c fur n ac e Spinerette Liquid mesophase Fibra verde Propiedades viscolásticas Partículas sólidas Velocidad de hilado Hilado Fibra verde Fibra estabilizada Estabilización Carbonización Grafitización Fibra de carbono

Mesofase Fibras de carbono a partir

de aceite de antraceno

El control de las condiciones de hilado/estabilización permite obtener fibras con buenas propiedades superficiales

Proyecto Europeo

EUROFIBRE Proyecto PSE

LIGHT CARBON CARS

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 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. Materiales compuestos carbono-carbono

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Materiales en condiciones extremas: La energía nuclear de fusión

MATERIALES COMPUESTOS C/C

- Elevada velocidad de erosión a alta temperatura - Disminución de la conductividad térmica por irradiación de neutrones

- Alta retención de tritio

- Baja resistencia a oxidación

DOPA DO CON T

IC - Excelentes propiedades a alta temperatura

- Alta conductividad térmica

- Elevada resistencia al choque térmico - Bajo Z

- Temperatura de fusión elevada

T (H3_{) + D (H}2_{) → He (H}4_{) + n}

Elevadas temperaturas Tensiones térmicas

Alta irradiación por partículas procedentes del plasma

Condiciones de operación extremas!!!

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3D1 _3D2 ►Refuerzos

►Precursor de matriz: Brea de mesofase

Brea de mesofase dopada con TiC (80 nm)

MATERIAL %.Ti Porosidad

(%) Densidad geométrica (g/cm3₎ Conductividad térmica (W/mK) (x-dir.) U-3D1 - 22 1.52 179 Ti-3D1 ~2,5 20 1.56 186 U-3D2 - 17 1.70 220 Ti-3D2 ~2,5 17 1.74 288

Materiales compuestos C/C reforzados en 3 direcciones

X (Haces de fibra de brea de mesofase)

Y (Haces de fibra PAN) Z (Haces de fibra PAN)

EFECTO CATA

LÍTICO

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Proyecto

Sub lim a tio n Pa rtic le s e m is s io n

1 x

1 0 x

Ti-d o pe d Un d o pe d

- La m a triz m ue s tra m e jo r re s is te n c ia q ue la s fib ra s

Ev a lua c ió n d e l c o m po rta m ie n to d e e ro s ió n d e l m a te ria l c o m pue s to (h e a t flux)

UNDOPED 2µm 10µm 1 0 0 x 10µm 10µm 1 0 x UNDOPED Ti-DOPED Ti-DOPED

Mayor eros ión en fibras P AN debido a s u menor conductividad

Materiales dopados con Ti mues tran un mejor comportamiento frente a la eros ión

A. Centeno, R. Santamaría, M. Granda, R. Menéndez, C. BlancoJournal of Analytical and Applied Pyrolysis, 86, 1, 2009, 28-32

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El uso indiscriminado de combustibles fósiles está dañando seriamente el equilibrio del planeta

Año 1900

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Renovables

Las energía renovables requieren almacenamiento de energía para su

implantación. Picos de demanda Dispositivos

portátiles eléctricosVehículos

Supercondensadores (alta densidad potencia)

Li_xC₆ A Li_(1-x)MO₂ e -e -e -e -Li+ Li+ Li+ Li+ -- ++ e- _e -Electrolyte e -e -e -e

-Baterías ión –Li (alta densidad

energía)

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Baterias ion litio

La capacidad de insertar Li depende de la estructura cristalina del material

Colaboradores

A. Concheso, R. Santamaría, R. Menéndez, J.M. Jiménez-Mateos, R. Alcántara, P. Lavela, J.L. Tirado Electrochimica Acta, 52, 3, 2006, 1281-1289

 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

 El Ni metal pudiera contribuir a aumentar la conductividad electrónica

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 100 200 300 400 500 600 700 800 C a p a c id a d (m A h g -1 ) Nº de Ciclo VR-20NiO(750-6) VR-10NiO(750-6) VR-1Ni(750-6) VR-0(750-6) Ciclado 372 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 100 200 300 400 500 600 700 800 C a p a c id a d (m A h g -1 ) Nº de Ciclo VR-20NiO(750-6) VR-10NiO(750-6) VR-1Ni(750-6) VR-0(750-6) Ciclado 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 100 200 300 400 500 600 700 800 C a p a c id a d (m A h g -1 ) Nº de Ciclo VR-20NiO(750-6) VR-10NiO(750-6) VR-1Ni(750-6) VR-0(750-6) Ciclado 372

Materiales compuestos carbono-níquel

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+ -C = ε S / d + + + + + + + + + -- Doble capa eléctrica

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 + -Esquema básico de un supercondensador electrodo separador colector de corriente + + ++ + + + + + - -- --- -- - --- + ++ + ++ + + + + Supercondensadores

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0 50 100 150 200 250 300 350 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 Voltaje (V) Ce sp ( F/ g) 0 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 80 100 I (mA/cm2₎ Ce ( F/ g) Muestra comercial Carbón activado INCAR

Carbón activado INCAR Cambio de electrolito Colaboradores Brea de mesofase Comercial Aerogel Nanotubos Supercondensadores

La incorporación de aditivos al electrolito permite multiplicar por 3 la capacidad

de almacenamiento de energía Preparación de carbones activados con mayor

capacidad de almacenamiento de energía

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Desalinización de aguas

Baterías de flujo redox

Producción de hidrogeno Catálisis…

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Efecto sinérgico del material de carbono sobre la actividad fotocatalítica del TiO₂

Grafenos

TiO₂

Nuevos carbones activados

Negros de carbono

Nanotubo de Carbono

Fibras de Carbono

Catalizador

Materiales de carbono en fotocatálisis

Proyecto

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Organometálico

Complejo

Catalizador soportado

Grupo ácido o básico Producto 1

Producto 2

Producto Final

Fotocatálisis multifuncional. Reacciones en cascada

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• 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).

Perspectivas de futuro de los

materiales de carbono

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