A medida que la demanda mundial de energía continúa creciendo, el desarrollo de tecnologías más eficientes y sostenibles para generar y almacenar energía se vuelve cada vez más importante. Según el Dr. Wade Adams de la Universidad Rice, la energía será el problema más urgente que enfrentará la humanidad en los próximos 50 años y la nanotecnología tiene potencial para resolver este problema. [1] La nanotecnología , un campo relativamente nuevo de la ciencia y la ingeniería , ha demostrado ser prometedora y tener un impacto significativo en la industria energética. La nanotecnología se define como cualquier tecnología que contenga partículas con una dimensión menor a 100 nanómetros de longitud. A escala, una sola partícula de virus tiene aproximadamente 100 nanómetros de ancho.
Los científicos y los ingenieros ya han comenzado a desarrollar formas de utilizar la nanotecnología para el desarrollo de productos de consumo . Los beneficios que ya se han observado en el diseño de estos productos son una mayor eficiencia de la iluminación y la calefacción , una mayor capacidad de almacenamiento eléctrico y una disminución de la cantidad de contaminación derivada del uso de energía. Beneficios como estos hacen que la inversión de capital en la investigación y el desarrollo de la nanotecnología sea una prioridad máxima.
Un subcampo importante de la nanotecnología relacionado con la energía es la nanofabricación , el proceso de diseño y creación de dispositivos a escala nanométrica. La capacidad de crear dispositivos de menos de 100 nanómetros abre muchas puertas para el desarrollo de nuevas formas de capturar, almacenar y transferir energía. Las mejoras en la precisión de las tecnologías de nanofabricación son fundamentales para resolver muchos de los problemas relacionados con la energía a los que se enfrenta actualmente el mundo. [ cita requerida ]
Existe un enorme interés en el uso de materiales basados en grafeno para el almacenamiento de energía. La investigación sobre el uso del grafeno para el almacenamiento de energía comenzó hace muy poco, pero el ritmo de crecimiento de la investigación relativa es rápido. [2]
El grafeno ha surgido recientemente como un material prometedor para el almacenamiento de energía debido a varias propiedades, como su bajo peso, inercia química y bajo precio. El grafeno es un alótropo del carbono que existe como una lámina bidimensional de átomos de carbono organizados en una red hexagonal. Una familia de materiales relacionados con el grafeno, llamados "grafenos" por la comunidad de investigación, consiste en derivados estructurales o químicos del grafeno. [2] El grafeno derivado químicamente más importante es el óxido de grafeno (definido como una sola capa de óxido de grafito, [3] El óxido de grafito se puede obtener haciendo reaccionar el grafito con oxidantes fuertes, por ejemplo, una mezcla de ácido sulfúrico, nitrato de sodio y permanganato de potasio [4] ) que generalmente se prepara a partir de grafito por oxidación a óxido de grafito y exfoliación consecuente. Las propiedades del grafeno dependen en gran medida del método de fabricación. Por ejemplo, la reducción de óxido de grafeno a grafeno da como resultado una estructura de grafeno que también tiene un átomo de espesor pero contiene una alta concentración de defectos, como nanoagujeros y defectos de Stone-Wales . [5] Además, los materiales de carbono, que tienen una conductividad eléctrica relativamente alta y estructuras variables, se utilizan ampliamente en la modificación del azufre. Se han sintetizado compuestos de azufre-carbono con diversas estructuras y han mostrado un rendimiento electroquímico notablemente mejorado que el azufre puro, lo que es crucial para el diseño de baterías. [6] [7] [8] [9] El grafeno tiene un gran potencial en la modificación de un cátodo de azufre para baterías de Li-S de alto rendimiento, que se ha investigado ampliamente en los últimos años. [2]
Los nanosemiconductores basados en silicio tienen la aplicación más útil en la energía solar y también se han estudiado ampliamente en muchos lugares, como la Universidad de Kioto . Utilizan nanopartículas de silicio para absorber una mayor variedad de longitudes de onda del espectro electromagnético . Esto se puede hacer colocando muchas varillas de silicio idénticas y espaciadas de manera uniforme sobre la superficie. Además, la altura y la longitud del espaciado deben optimizarse para lograr los mejores resultados. Esta disposición de partículas de silicio permite que la energía solar sea reabsorbida por muchas partículas diferentes, excitando electrones y dando como resultado que gran parte de la energía se convierta en calor. Luego, el calor se puede convertir en electricidad. Los investigadores de la Universidad de Kioto han demostrado que estos semiconductores a escala nanométrica pueden aumentar la eficiencia en al menos un 40%, en comparación con las células solares normales. [10]
La celulosa es el polímero natural más abundante en la Tierra. Actualmente, se desarrollan y utilizan estructuras mesoporosas basadas en nanocelulosa , películas delgadas flexibles, fibras y redes en dispositivos fotovoltaicos (PV), sistemas de almacenamiento de energía, recolectores de energía mecánica y componentes de catalizadores. La inclusión de nanocelulosa en esos dispositivos relacionados con la energía aumenta en gran medida la proporción de materiales ecológicos y es muy prometedora para abordar las preocupaciones ambientales relevantes. Además, la celulosa se manifiesta en promesas de bajo costo y gran escala. [11]
Las nanoestructuras unidimensionales han demostrado ser prometedoras para aumentar la densidad energética , la seguridad y la vida útil de los sistemas de almacenamiento de energía , un área que necesita mejoras en las baterías de iones de litio . Estas nanoestructuras se utilizan principalmente en electrodos de baterías debido a sus vías de transporte de iones y electrones bicontinuas más cortas , lo que da como resultado un mayor rendimiento de la batería. [12]
Además, las nanoestructuras 1D son capaces de aumentar el almacenamiento de carga mediante la formación de capas dobles, y también se pueden utilizar en supercondensadores debido a sus rápidos procesos redox superficiales pseudocapacitivos. En el futuro, se desarrollarán con mucha más profundidad nuevos diseños y síntesis controlables de estos materiales. Los nanomateriales 1D también son respetuosos con el medio ambiente y rentables . [13]
La característica más importante de los nanomateriales bidimensionales es que sus propiedades se pueden controlar con precisión. Esto significa que los nanomateriales 2D se pueden modificar y diseñar fácilmente en nanoestructuras . El espacio entre capas también se puede manipular para materiales sin capas, llamados canales nanofluídicos 2D. Los nanomateriales 2D también se pueden diseñar en estructuras porosas para su uso en aplicaciones catalíticas y de almacenamiento de energía mediante la aplicación de un transporte de carga y masa sencillo. [14]
Los nanomateriales 2D también presentan algunos desafíos. Existen algunos efectos secundarios de la modificación de las propiedades de los materiales, como la actividad y la estabilidad estructural , que pueden verse comprometidas cuando se diseñan. Por ejemplo, la creación de algunos defectos puede aumentar la cantidad de sitios activos para un mayor rendimiento catalítico, pero también pueden ocurrir reacciones secundarias, que posiblemente podrían dañar la estructura del catalizador. Otro ejemplo es que la expansión entre capas puede reducir la barrera de difusión de iones en la reacción catalítica, pero también puede reducir potencialmente su estabilidad estructural. Debido a esto, existe un equilibrio entre rendimiento y estabilidad. Un segundo problema es la coherencia en los métodos de diseño. Por ejemplo, las heteroestructuras son las estructuras principales del catalizador en el espacio entre capas y los dispositivos de almacenamiento de energía, pero estas estructuras pueden carecer de la comprensión del mecanismo de la reacción catalítica o de los mecanismos de almacenamiento de carga. Se requiere una comprensión más profunda del diseño de nanomateriales 2D, porque el conocimiento fundamental conducirá a métodos consistentes y eficientes para diseñar estas estructuras. Un tercer desafío es la aplicación práctica de estas tecnologías. Existe una enorme diferencia entre las aplicaciones a escala de laboratorio y a escala industrial de los nanomateriales 2D debido a su inestabilidad intrínseca durante el almacenamiento y el procesamiento. Por ejemplo, las estructuras porosas de nanomateriales 2D tienen densidades de empaquetamiento bajas, lo que dificulta su empaquetamiento en películas densas. Aún se están desarrollando nuevos procesos para la aplicación de estos materiales a escala industrial. [14]
La batería de iones de litio es actualmente uno de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica más populares y se ha utilizado ampliamente en áreas que van desde la electrónica portátil hasta los vehículos eléctricos. [15] [16] Sin embargo, la densidad de energía gravimétrica de las baterías de iones de litio es limitada y menor que la de los combustibles fósiles. La batería de litio y azufre (Li-S), que tiene una densidad de energía mucho mayor que la batería de iones de litio, ha estado atrayendo la atención mundial en los últimos años. [17] [18] Un grupo de investigadores de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención n.º 21371176 y 21201173) y el Equipo de Innovación en Ciencia y Tecnología de Ningbo (subvención n.º 2012B82001) han desarrollado una batería de litio y azufre basada en nanoestructuras que consiste en estructuras multicapa nanocompuestas de grafeno/azufre/carbono. La nanomodificación del azufre puede aumentar la conductividad eléctrica de la batería y mejorar el transporte de electrones en el cátodo de azufre. Se puede diseñar y preparar con éxito un nanocompuesto de grafeno/azufre/carbono con una estructura multicapa (G/S/C), en la que el azufre de tamaño nanométrico se coloca en capas sobre ambos lados de láminas de grafeno químicamente reducido y se cubre con capas de carbono amorfo. Esta estructura logra una alta conductividad y protección de la superficie del azufre simultáneamente, y por lo tanto da lugar a un excelente rendimiento de carga/descarga. El compuesto G/S/C muestra características prometedoras como material de cátodo de alto rendimiento para baterías de Li-S. [19]
Los nanomateriales diseñados son bloques de construcción clave de las células solares de la generación actual. [20] Las mejores células solares de la actualidad tienen capas de varios semiconductores diferentes apilados juntos para absorber luz a diferentes energías, pero aún así solo logran usar aproximadamente el 40% de la energía del Sol. Las células solares disponibles comercialmente tienen eficiencias mucho más bajas (15-20%). La nanoestructuración se ha utilizado para mejorar las eficiencias de las tecnologías fotovoltaicas (PV) establecidas, por ejemplo, mejorando la recolección de corriente en dispositivos de silicio amorfo , [21] mejora plasmónica en células solares sensibilizadas con colorante, [22] y mejorando el atrapamiento de luz en silicio cristalino. [23] Además, la nanotecnología podría ayudar a aumentar la eficiencia de la conversión de luz utilizando las brechas de banda flexibles de los nanomateriales, [24] o controlando la directividad y la probabilidad de escape de fotones de los dispositivos fotovoltaicos. [25] El dióxido de titanio (TiO 2 ) es uno de los óxidos metálicos más investigados para su uso en células fotovoltaicas en las últimas décadas debido a su bajo coste, benignidad medioambiental, abundantes polimorfos , buena estabilidad y excelentes propiedades electrónicas y ópticas. [26] [27] [28] [29] [30] Sin embargo, sus prestaciones están muy limitadas por las propiedades de los propios materiales de TiO 2 . Una limitación es la amplia brecha de banda, que hace que el TiO 2 solo sea sensible a la luz ultravioleta (UV), que solo ocupa menos del 5% del espectro solar. [31] Recientemente, los nanomateriales estructurados de núcleo-capa han atraído mucha atención ya que representan la integración de componentes individuales en un sistema funcional, mostrando propiedades físicas y químicas mejoradas (por ejemplo, estabilidad, no toxicidad, dispersabilidad, multifuncionalidad), que no están disponibles en los componentes aislados. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] Para los nanomateriales de TiO2 , este diseño estructurado de núcleo-capa proporcionaría una forma prometedora de superar sus desventajas, lo que daría como resultado un rendimiento mejorado. [41] [42] [43] En comparación con el material de TiO2 único , los compuestos de TiO2 estructurados de núcleo-capa muestran propiedades ópticas y eléctricas ajustables, incluso nuevas funciones, que se originan a partir de las estructuras únicas de núcleo-capa. [31]
Los nanomateriales se pueden utilizar de diversas formas para reducir el consumo de energía. Los aditivos de nanopartículas para combustibles también pueden ser de gran utilidad para reducir las emisiones de carbono y aumentar la eficiencia de los combustibles de combustión. Se ha demostrado que las nanopartículas de óxido de cerio son muy buenas para catalizar la descomposición de hidrocarburos no quemados y otras emisiones de partículas pequeñas debido a su gran relación entre área de superficie y volumen, así como para reducir la presión dentro de la cámara de combustión de los motores para aumentar la eficiencia del motor y frenar las emisiones de NOx . [ 44] La adición de nanopartículas de carbono también ha aumentado con éxito la velocidad de combustión y el retraso de la ignición en el combustible para aviones. [45] Los aditivos de nanopartículas de hierro para biodiésel y combustibles diésel también han demostrado una disminución en el consumo de combustible y las emisiones volumétricas de hidrocarburos en un 3-6%, monóxido de carbono en un 6-12% y óxidos de nitrógeno en un 4-11% en un estudio. [46]
Si bien los nanomateriales pueden aumentar la eficiencia energética del combustible de varias maneras, una desventaja de su uso radica en el efecto de las nanopartículas sobre el medio ambiente. Con los aditivos de nanopartículas de óxido de cerio en el combustible, se pueden emitir trazas de estas partículas tóxicas en el escape. Se ha demostrado que los aditivos de óxido de cerio en el combustible diésel causan inflamación pulmonar y aumento del líquido de lavado alveolar bronquial en ratas. [44] Esto es preocupante, especialmente en áreas con mucho tráfico vial, donde es probable que estas partículas se acumulen y causen efectos adversos para la salud. Las nanopartículas naturales creadas por la combustión incompleta de combustibles diésel también contribuyen en gran medida a la toxicidad de los humos diésel. Es necesario realizar más investigaciones para determinar si la adición de nanopartículas artificiales a los combustibles reduce la cantidad neta de emisiones de partículas tóxicas debido a la combustión. [44]
El cambio relativamente reciente hacia el uso de la nanotecnología con respecto a la captura, transferencia y almacenamiento de energía ha tenido y seguirá teniendo muchos impactos económicos positivos en la sociedad. El control de los materiales que la nanotecnología ofrece a los científicos e ingenieros de productos de consumo es uno de los aspectos más importantes de la nanotecnología y permite mejoras en la eficiencia de una variedad de productos. La captura y el almacenamiento más eficientes de energía mediante el uso de la nanotecnología pueden conducir a una disminución de los costos de energía en el futuro, ya que los costos de preparación de los nanomateriales se vuelven menos costosos con un mayor desarrollo.
Un problema importante con la generación actual de energía es la generación de calor residual como subproducto de la combustión. Un ejemplo común de esto es en un motor de combustión interna . El motor de combustión interna pierde alrededor del 64% de la energía de la gasolina en forma de calor y una mejora de esto por sí sola podría tener un impacto económico significativo. [47] Sin embargo, mejorar el motor de combustión interna en este sentido ha demostrado ser extremadamente difícil sin sacrificar el rendimiento. Mejorar la eficiencia de las celdas de combustible mediante el uso de nanotecnología parece ser más plausible mediante el uso de catalizadores a medida molecular , membranas de polímeros y un mejor almacenamiento de combustible.
Para que una pila de combustible funcione, particularmente de la variante de hidrógeno , se necesita un catalizador de un metal noble (generalmente platino , que es muy caro) para separar los electrones de los protones de los átomos de hidrógeno. [48] Sin embargo, los catalizadores de este tipo son extremadamente sensibles a las reacciones de monóxido de carbono . Para combatir esto, se utilizan alcoholes o compuestos de hidrocarburos para disminuir la concentración de monóxido de carbono en el sistema. Mediante el uso de la nanotecnología, se pueden diseñar catalizadores mediante nanofabricación que limiten la combustión incompleta y disminuyan así la cantidad de monóxido de carbono, mejorando la eficiencia del proceso.
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