Nanotubos de Carbono

Introducción

Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono por Iijima (NEC) en 1991, este tipo de material carbonoso ha ido adquiriendo gran relevancia tecnológica debido a la gran cantidad de posibles aplicaciones industriales y de alta tecnología que pueden ser desarrolladas mediante su utilización. En el área particular del almacenamiento de energía, los nanotubos y las nanofibras de carbono están siendo utilizadas en el desarrollo de supercondensadores, baterías de ion litio y de pilas de combustible. [3]

En los últimos años, los supercondensadores han surgido como una alternativa o complemento importante para otros dispositivos de producción o almacenamiento de energía eléctrica. Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía, como lo son también las baterías, los condensadores convencionales o las pilas de combustible. El nombre de supercondensadores (en inglés "supercapacitors" o "ultracapacitors") se refiere al hecho de que son capaces de alcanzar capacidades de carga mucho más elevadas que los condensadores tradicionales, si bien esto implica una pérdida de potencia. De esta manera, los supercondensadores son capaces de cubrir un rango de requerimiento energético que escapa de las posibilidades de los otros sistemas de almacenamiento [2]. Un supercondensadores puede llegar a tener capacidades del orden de miles de faradios.

El uso de materiales con nanotubos de carbono para distintos componentes de estos dispositivos electroquímicos es una buena manera de profundizar en los detalles de su funcionamiento, a la vez que se avanza en la completa caracterización de los nanotubos de carbono. [1]

Identificación del compuesto a estudiarse

En el curso de una de una investigación sobre fullerenos se observaron por primera vez nanotubos de carbono en el año 1991. Estas estructuras están constituidas por láminas de grafeno cerradas sobre sí mismas en forma de larguísimos cilindros de diámetro manométrico (formado por anillos hexagonales de átomos de carbono con hibridación sp2) y cuyos extremos suelen estar cerrados por cápsulas de tipo fullereno.

Los nanotubos de carbono son de dimensión uno. Los nanotubos de carbono, cuya longitud es mucho mayor que su diámetro, son cables de grosor manométrico cuyas propiedades físicas a nivel microscópico tienen que ser descritas mediante conceptos de mecánica cuántica. [2]

Habitualmente se suele distinguir entre dos grandes clases de nanotubos de carbono:

Nanotubos de pared o capa única (SWNTs) y nanotubos de pared o capa múltiple (MWNTs). En principio, esta distinción puede parecer un poco arbitraria, dado que los nanotubos de capa múltiple son, en realidad, una serie de dos o más nanotubos de capa única distribuidos de manera concéntrica [4].

Los nanotubos de carbono son producidos de tres maneras: por descarga en arco eléctrico, ablación laser y deposición química en fase vapor.

Imágenes de TEM de MWNTs obtenidos por el método del arco eléctrico

Caracterización del compuesto

Las propiedades electrónicas, moleculares y estructurales de los nanotubos de carbono son determinadas en buena medida por su estructura prácticamente unidimensional. A pesar de que su estructura es similar a la de las capas planas de grafeno, las cuales son semiconductores, los nanotubos de carbono de capa única (SWNTs) pueden ser tanto metálicas como semiconductoras dependiendo de la dirección sobre la cual se enrolla la capa de grafeno. Debido a la estructura casi unidimensional el transporte electrónico en los nanotubos de carbono multicapa y de capa única tiene lugar de forma balística a lo largo de su longitud, permitiéndole transportar corrientes altas sin calentamiento.

A continuación se presentan algunas propiedades de los nanotubos de carbono de capa única (SWNTs) y los de capa múltiple (MWNTs). [5]

Usos y aplicaciones

Una de las más interesantes aplicaciones de los nanotubos de carbono es el almacenamiento electroquímico de energía en electrodos de supercondensadores y baterías. Su relativamente alta área superficial puede llevar mayores capacidades de almacenamiento de carga que los condensadores y baterías estándar.

La eficiencia del proceso de carga-descarga de los sistemas de almacenamiento eléctrico puede estimarse como el cociente del tiempo nominal de descarga entre el tiempo descarga. La eficiencia de los supercondensadores es muy alta, casi tanto como la de los condensadores convencionales, que es cercana al 100 %. La eficiencia de los supercondensadores es mayor que la de las baterías.

En general, los electrodos de los supercondensadores se construyen de tres tipos de materiales distintos: Materiales carbonosos, óxidos metálicos o polímeros conductores.

Cada uno de ellos presenta características propias en cuanto al mecanismo de almacenamiento de energía.

Los materiales carbonosos son los más utilizados y de mayor implantación tecnológica por su bajo costo, disponibilidad y elevada área superficial específica. Los supercondensadores con electrodos carbonosos almacenan energía por separación de cargas negativas y positivas en la interfase electrodo-electrolito. Dicha separación se produce, junto con el desplazamiento de los iones en el seno del electrolito hacia el electrodo con carga de signo opuesto, como consecuencia de una diferencia de potencial aplicada externamente.

Como la separación de cargas tiene lugar en la interface electrodo-electrolito, un material de electrodo con elevada área superficial favorece una capacidad alta de carga. Este tipo de supercondensadores, basados en el mecanismo de la separación de cargas en la interfase electrodo-electrolito, se denominan en ocasiones condensadores electroquímicos de doble capa eléctrica (EDLCs).

Los óxidos metálicos (RuO2, IrO2) dan supercondensadores de capacidad muy alta, pero son caros y crean problemas medioambientales.

El material de electrodo puede ser también un polímero capaz de conducir la electricidad como polipirrol, poli (3 metil tiofeno), etc. Da capacidades elevadas pero presentan problemas de ciclabilidad y estabilidad. Aunque no se conoce con exactitud, el mecanismo de almacenamiento es pseudocapacitivo porque los polímeros conductores no tienen áreas superficiales elevadas.

Los nanotubos de carbono presentan varias ventajas a la hora de usarse para la preparación de electrodos porosos en supercondensadores: Estabilidad química, baja densidad, baja resistividad, elevada superficie y adecuada distribución de tamaños de poro. En efecto, el tamaño de los poros de las muestras de nanotubos parece apropiado para dar elevadas capacidades, debido a que:

1) Son poros lo bastante pequeños para proporcionar superficies específicas moderadamente elevadas.

2) No son poros tan pequeños como para que los iones del electrolito no puedan acceder a ellos, teniendo en cuenta que el tamaño de los iones hidratados está en el rango de 6.0- 7.6 Å.

Las muestras de MWNTs presentan características mesoporosas y han sido probadas satisfactoriamente en condensadores. Los SWNTs pueden tener en algunos casos superficies específicas mayores pero es posible que la presencia de microporos pequeños ocasione una caída en la capacidad específica. No obstante, se han encontrado capacidades elevadas, de hasta 180 F/g en condensadores construidos con SWNTs tratados previamente a 1000ºC en atmósfera inerte. [2]

Otras aplicaciones de los nanotubos de son:

En el campo de materiales compuestos, su interés radica en su conjugación unidimensional, fuerza mecánica y alta estabilidad química y térmica. Son sistemas ligeros, su densidad es del orden de 1,3-1,4 g/cm3, huecos y porosos con alta resistencia mecánica interesantes para el reforzamiento estructural de materiales.

Basadas en sus propiedades mecánicas se están preparando materiales tanto poliméricos como cerámicos para aplicaciones tales como piezas para automóviles ligeros o vehículos espaciales, para materiales de construcción resistentes a vibraciones o materiales para puentes.

Otra de las aplicaciones de los materiales compuestos de nanotubos de carbono es su aplicación en matrices poliméricas para mejoramiento de las propiedades eléctricas. Con la adición de un 5% de nanotubos de carbono se alcanzan conductividades entre 0.01 y 0.1 S/cm que son suficientes para eliminar la carga electrostática. Con ese fin se han utilizado como aditivo en piezas de automóviles, la eliminación de la carga electrostática permite que sean pintadas en la cadena de montaje con un ahorro económico. Se están utilizando también para la eliminación de cargas electrostáticas en líneas de suministro de combustibles para eliminar el riesgo de explosión.

En electrónica los nanotubos de carbono semiconductores están siendo utilizados como transistores o elementos lógicos, recientemente se ha construido el primer chip electrónico que combina tecnología mixta de silicio y transistores construidos con nanotubos de carbono. Las altas densidades de corriente que los nanotubos pueden transportar y su alta conductividad térmica resolverían los dos principales problemas que plantean la miniaturización de los sistemas electrónicos; la disipación de calor y el transporte de latas densidades de corriente. [5]

Conclusiones

Las propiedades de los nanotubos de carbono, lo convierten en un material interesante para desarrollar la nueva tecnología, aunque se debe profundizar en los estudios acerca de este material para su mejor aprovechamiento.

Actualmente se está usando esta tecnología en algunos dispositivos electrónicos, debido a que proporciona ciertas mejoras mecánicas, eléctricas, electrónicas y térmicas respecto a los productos estándar, una de esas aplicaciones es la de los supercondensadores que permiten almacenar gran cantidad de carga eléctrica, otra características de los supercondensadores son la rapidez de carga y descarga, pueden proporcionar corrientes de carga altas, cosa que daña a las baterías.

Sólo los supercondensadores basados en carbono, o también llamados condensadores de doble capa (double-layer capacitors), han conseguido llegar a la etapa de comercialización, debido a que no representan gran costo comparado a otros supercondensadores fabricados con otros materiales.

Bibliografía

[1] http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4740/fichero/2.+Baterias+y+Supercondensadores.pdf

[2] http://digital.csic.es/bitstream/10261/4108/1/Tesis.pdf

[3] http://dit.upc.es/lpdntt/biblio/BREUS/MER04a.pdf

[4] dialnet.unirioja.es/servlet/dcfichero_articulo?codigo=2510315

[5] http://dit.upc.es/lpdntt/biblio/BREUS/MAR04a.pdf

Autor:

Orestes Leniz