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