Equipo de investigación chileno trabaja en el desarrollo de un supercondensador en base a grafeno derivado de corteza de pino radiata

grafeno

Los académicos Dr. Juan Matos (Universidad Autónoma de Chile) y Dra. Po Shan Poon (Universidad de Concepción) encabezan esta investigación en la que lograron fabricar un prototipo de supercondensador, un almacenador de energía más duradero que una batería, en base a grafeno derivado del biocarbono. En el ámbito de la electromovilidad, los supercondensadores impulsan un transporte más limpio y eficiente.

Juan Matos Lale es profesor titular y académico senior del Instituto de Ciencias Químicas Aplicadas, y director del Doctorado en Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma de Chile. La idea de almacenar energía en base a biomateriales nació cuando era investigador asociado en la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción, donde en agosto de 2019 se adjudicó un proyecto Fondef (Fondo de Fomento al Desarrollo Científico y Tecnológico) para el desarrollo de la investigación sobre supercapacitores.

Desde el inicio e incluso cuando Matos emigró a la U. Autónoma, el equipo a cargo de la ejecución del proyecto lo mantiene con su colega la Dra. Po Shan Poon. En este equipo participan además dos tesistas doctorales: Óscar Pinto, a cargo del desarrollo de superconductores desde corteza de pino y Paula Muñoz, quien aborda el tratamiento solar de aguas contaminadas; el investigador postdoctoral Dr. Julio Urzúa, quien colabora en los temas de caracterización electroquímica; y dos estudiantes de pregrado de la Universidad Autónoma, Antonia Castro y Benjamín Bruno.

Motivado por la conciencia del cambio climático y el impulso de productos biobasados, Matos destaca la gran disponibilidad de dichos materiales en Chile, provenientes en su gran mayoría de las industrias forestal y agrícola. En este caso, la corteza del pino radiata es uno de esos residuos infravalorados que hoy, gracias a esta investigación, tienen un nuevo uso. 

Ejemplo de producto realizado con grafeno / New Atlas

-¿En qué consiste esta investigación?

-Empleando un biochar derivado de corteza de pino radiata, se obtiene un material carbonoso de alta porosidad del cual, empleando un segundo proceso (que se mantiene bajo estricta confidencialidad para proteger la potencial patente) se obtienen ciertas fracciones de óxido de grafeno, que derivan en muchas aplicaciones. Ambos materiales carbonosos presentan una alta porosidad y una distribución de volumen de poros que los hacen apropiados para el almacenamiento energético. Los resultados preliminares obtenidos, demuestran que estos materiales se pueden fabricar supercondensadores, los cuales tienen algunas ventajas en sus propiedades electroquímicas en comparación a las baterías, principalmente en cuanto a su eficiencia y duración, por ejemplo: alta potencia, procesos rápidos de carga/descarga, y larga vida útil (>15 años).

-¿Cómo fue el comienzo, las primeras etapas del proyecto?

-Comenzamos por caracterizar este residuo de corteza de pino y empezamos a hacer estudios preliminares preparando materiales y controlando su porosidad, contenido de oxígeno y haciendo pruebas de absorción de electrolitos. Todo dispositivo de almacenamiento, sea batería o supercondensador, necesita de una sustancia química que se acumula en los poros del material, este fenómeno es exactamente la manera sencilla de decir que el dispositivo es capaz de almacenar cargas para su posterior liberación de energía. En el caso de los supercondensadores, nuestro primer enfoque, nuestra prueba de concepto, es construir un prototipo pequeño del tipo botón, que es justamente lo que estamos haciendo en este proyecto Fondef. 

-¿En qué etapa se encuentra actualmente el proyecto?

-Estamos trabajando los números para hacerlos más pulcros y atractivos para captar inversores. El proyecto Fondef I+D está en su primera etapa en donde se debe demostrar una hipótesis de trabajo, lograr la construcción de un prototipo a escala de laboratorio, y validarlo. En Chile no hay producción local, todos los supercondensadores son importados. 

Grafeno al microscopio / New Atlas

-Los residuos lignocelulósicos, ¿deben provenir solo de pino radiata o puede ser de otra de otra especie? 

-Esta tecnología es totalmente expandible a cualquier otro tipo de residuos lignocelulósicos de biomasa, pero hay una serie de requisitos que los residuos lignocelulósicos deben cumplir.

-¿Como cuáles?

-El residuo debe tener un alto contenido de carbono, bajo contenido de cenizas, posibilidad de obtener siempre un stock más o menos igual en contenido químico. Hay que hacer pruebas, o mejor dicho, una caracterización primaria o preliminar del material para saber cómo es la composición química, y desde allí, predecir sobre la posibilidad real de construir un capacitor con este tipo de residuos.

-¿Algún proveedor de madera en específico?

-En este momento tenemos una empresa asociada al proyecto que es CMPC Celulosa, quienes nos han proveído de corteza de pino. También contamos con Elecsur, quienes apoyan en la parte eléctrica. Para la producción del supercondensador tipo botón como el conceptualizado, se necesitan tan sólo unos pocos miligramos de carbono, por lo que tenemos suficiente materia prima para optimizar producción y diseño del dispositivo eléctrico.

-¿Cuáles son las ventajas de los supercondensadores y cuáles son sus potenciales aplicaciones?

-La liberación rápida y homogénea de alta cantidad de energía, con más potencia y durabilidad que una batería tradicional, es ideal para la electromovilidad, es decir, el transporte. Por ejemplo, los trenes y autobuses en algunos países en Asia poseen supercondensadores y son más rápidos y eficientes: mientras recogen pasajeros se van cargando. Igualmente son extraordinariamente útiles en sistemas de locomoción pesada en zonas aisladas como las de la industria minera. Su vida útil es de 15 años. 

Equipo utilizado para el grafeno derivado de corteza de pino radiata / Juan Matos

Trayectoria investigativa

Matos lleva más de 20 años desempeñándose como investigador científico. Es químico de la Universidad Central de Venezuela. Cursó su doctorado en química en el Instituto venezolano de Investigación Científica en conjunto con la Escuela Central de Lyon en Francia, empleando dispositivos a base de carbono nanoporoso llamados fotocatalizadores, que sirven para el tratamiento solar de aguas contaminadas. Como docente, se concentró en el desarrollo de sistemas de producción de energías limpias y vectores energéticos, así como en la remediación ambiental. Otro logro significativo es el estudio de catalizadores para producir lo que hoy en día se conoce como hidrógeno verde, que juega un rol importante en la electromovilidad y la propulsión de motores. “Hoy definitivamente estamos en la era de las energías limpias y el siglo XXI es el siglo del hidrógeno”, afirma con optimismo. 

Junto al supercondensador, continúa en sus temas favoritos: “Me estoy enfocando principalmente en la producción de hidrógeno verde, y en el tratamiento solar de aguas contaminadas, siempre empleando lo que llamo materiales inteligentes a base de carbono”. Recientemente ha sido destacado en la prensa otro de sus aciertos: el desarrollo de un prototipo de fotorreactor solar para el tratamiento de aguas cuya patente se adjudicaron en el 2020.

Polera fabricada con grafeno / Vollebak

-¿Qué tan efectivos son los biomateriales para la implementación de una economía circular o bioeconomía?

-Los números hablan por sí solos: Chile está dentro de los diez países con mayor disponibilidad de biomasa, por ende, se pueden generar muchos puestos de trabajo con nuevos enfoques a los ya existentes. Los biomateriales son parte del futuro del desarrollo sustentable de la industria en Chile y en el mundo, la cual se espera que evolucione y se consolide a lo largo del siglo XXI en varios sentidos. Los materiales a base de biomasa y sus derivados se pueden aplicar a varios rubros: farmacéutica, producción y almacenamiento de energía, remediación de agua, aire y suelos contaminados, compostaje, envases de frutas, etc.

-¿Qué rol jugarán en el combate por el cambio climático?

– Los biomateriales siempre han tenido un rol importante en el cuidado del medioambiente, su contribución a la regeneración y remediación de los suelos es fundamental, y su aporte en el tratamiento de agua también, por lo tanto, ambas aplicaciones son fundamentales para combatir los efectos del cambio climático. Adicionalmente, en el área de la salud, se pueden diseñar algunos tipos de filtro en base a biocarbono, los cuales evitan el contagio de virus y bacterias en el aire. Eso reemplazaría el uso de mascarillas o filtros sintéticos no biodegradables. 


Escrito por Diego Zúñiga
Fotografía principal cortesía de Iván Alvarado / Reuters

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