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Producción de grafeno

Hoy en día, los métodos top-down de producción de grafeno u óxido de grafeno (GO) son los capaces de producirlo de forma masiva y económica. Con estos métodos se obtiene el grafeno a partir de otro material que lo contiene, como por ejemplo el grafito. Son métodos, por tanto, útiles para aquellas aplicaciones que requieren grandes cantidades de material, como pueden ser el desarrollo de nanocompuestos poliméricos estructurales, nuevas baterías o dispositivos para el almacenamiento de energía.

El óxido de grafeno es un compuesto no estequiométrico que consiste en una red de átomos de carbono sp2, similar a la del grafeno, con dominios aromáticos aislados en el seno de una red de carbonos sp3 con grupos oxigenados. Estos grupos oxigenados se incorporan a la estructura en los planos y en los bordes de las capas. El óxido de grafeno (G-O) es, por tanto, un precursor de grafeno (que consiste en una red de átomos de carbono sp2 exclusivamente), y supone la ruta más viable para obtener grafeno monocapa en cantidades considerables.

Por su estructura, ambos comparten muchas propiedades, como por ejemplo la transparencia, pero también tienen otras diferencias importantes como la movilidad electrónica, esto es, la conductividad. Dependiendo de la aplicación del material, puede necesitarse un proceso de reducción para transformar el G-O en óxido de grafeno reducido (rG-O), lo cual será indispensable si se requiere, al menos, conductividad.

El método top-down más común para obtener óxido de grafeno es el de Hummers y Offeman, que parte de un material grafítico y en el que intervienen permanganato potásico y nitrato sódico en ácido sulfúrico concentrado. Estos reactivos se intercalan entre las capas de carbono del grafito, incrementando el espacio entre ellas y dando lugar a lo que se denomina óxido de grafito. Este producto de la reacción se somete a una exfoliación por ultrasonidos de forma que se separan las capas y se obtiene finalmente el óxido de grafeno. 

Esta línea de investigación se enmarca dentro del Proyecto CTQ2013-442136-R del Ministerio de  Economía y Competividad, en el que se pretende producir el óxido de grafeno más adecuado para dos posibles aplicaciones a gran escala y donde se espera que el grafeno aporte una mejora notable. Estas aplicaciones son los supercondensadores híbridos basados en geles de carbono y los recubrimientos acrílicos transparentes y conductores para dispositivos calefactores. Cada aplicación precisa de un óxido de grafeno con unas características determinadas, por lo que se producirán distintos tipos de G-O cada uno adaptado al uso final buscado. Por este motivo, el óxido de grafeno obtenido se someterá a una total caracterización estructural con la idea de conocer sus características concretas (química superficial, tamaño de capas de grafeno, etc.).

Así por ejemplo, en la preparación de geles de carbono-grafeno para supercondensadores, se emplean óxidos de grafeno que aporten más conductividad al esqueleto carbonoso, por lo que el grafeno óptimo no requiera quizá gran selectividad en monocapas pero si gran tamaño de hojuelas. Por otra parte, en el caso de los recubrimientos acrílicos, es preciso mantener la transparencia del producto al tiempo que se le dota de conductividad, por lo que será preciso una muy elevada selectividad en monocapas que permita gran uniformidad cuando se apliquen como recubrimiento.

Algunas de las aplicaciones del óxido de grafeno producido que se están investigando en esta línea del Grupo REMAN son los nanocomposites con resinas epoxi, nanocomposites con polianilina para uso en músculos artificiales, supercondensadores basados en geles de carbono, recubrimientos con resinas acrílicas...

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