One-pot synthesis of carbon nanotube/graphene composite phase change materials based on Pickering emulsion for solar thermal storage

El mundo busca constantemente mejores formas de capturar y retener la energía que proviene del sol. Un enfoque prometedor involucra materiales que puedan absorber calor, almacenarlo y liberarlo más tarde cuando sea necesario. Estas sustancias, conocidas como materiales de cambio de fase, funcionan absorbiendo una gran cantidad de energía a medida que se derriten de un estado sólido a uno líquido, y luego devolviendo esa energía cuando se congelan nuevamente. Este proceso permite que retengan vastas cantidades de energía térmica en un espacio muy pequeño, lo que los hace útiles para todo, desde regular la temperatura de los edificios hasta almacenar energía solar para su uso posterior. Sin embargo, estos materiales enfrentan dos obstáculos significativos que han impedido su adopción generalizada. Primero, suelen ser malos conductores del calor, lo que significa que tardan demasiado en calentarse o enfriarse. Segundo, cuando se derriten, se convierten en un líquido que puede filtrarse fácilmente de sus contenedores, creando un desastre y dejando el sistema inútil.

Investigadores de la Universidad de Xi'an Shiyou han desarrollado una nueva forma de resolver ambos problemas a la vez. Crearon un material compuesto que atrapa una sustancia similar a la cera llamada hexadecanol dentro de una red tridimensional resistente hecha de carbono. Para construir esta estructura, utilizaron una técnica llamada emulsión de Pickering, que se basa en diminutas partículas sólidas para estabilizar una mezcla de aceite y agua, en lugar de utilizar jabones químicos tradicionales. En este caso específico, el equipo utilizó láminas de óxido de grafeno y diminutos tubos de nanotubos de carbono para actuar como las partículas estabilizadoras. Mezclaron estos componentes de carbono con hexadecanol fundido y agua, creando una emulsión estable donde las gotas de cera estaban rodeadas por una capa protectora de carbono. Al calentar esta mezcla en un contenedor sellado, desencadenaron una reacción química que convirtió el óxido de grafeno en un andamio sólido y poroso, bloqueando eficazmente la cera dentro de una jaula de carbono. Este proceso de un solo paso, que los investigadores llaman síntesis de un solo recipiente (one-pot synthesis), dio como resultado un material que es sólido, a prueba de fugas y mucho mejor para mover el calor que la cera sola.

El material resultante, que el equipo probó en varias formulaciones diferentes, mostró mejoras notables con respecto a la cera pura. Cuando los investigadores midieron qué tan bien conducía el calor este compuesto, encontraron que añadir los nanotubos de carbono marcaba una clara diferencia. La muestra con la mayor cantidad de nanotubos conducía el calor un 25.40 por ciento mejor que el hexadecanol puro. Esta mejora es crucial porque significa que el material puede absorber la energía solar y liberar el calor almacenado mucho más rápido, haciéndolo más práctico para aplicaciones del mundo real. El armazón de carbono también resolvió completamente el problema de las fugas. Cuando los investigadores colocaron el compuesto sobre una placa calefactora ajustada a 70 grados Celsius, el hexadecanol puro se derritió y fluyó en cuestión de minutos. En contraste, el material compuesto mantuvo su forma perfectamente, sin fugas visibles, incluso tras un calentamiento prolongado. La red de carbono actuó como un esqueleto rígido que sostuvo la cera, manteniéndola contenida incluso cuando se volvió líquida.

Más allá de solo retener el calor, el material demostró ser excelente para capturar la luz solar y convertirla en energía térmica. Los componentes de carbono, particularmente el grafeno y los nanotubos, son muy buenos absorbiendo la luz. Cuando los investigadores proyectaron un sol simulado sobre las muestras, los materiales compuestos se calentaron significativamente más rápido que la cera pura. La muestra con la mayor cantidad de nanotubos de carbono alcanzó una temperatura de 75 grados Celsius en solo 600 segundos, mientras que la cera pura solo alcanzó los 70 grados en el mismo tiempo. Esto sugiere que el material puede recolectar la energía solar de manera más eficiente, un requisito clave para los sistemas de almacenamiento de energía solar térmica. Los investigadores también observaron que el material se enfriaba más rápido que la cera pura, lo que podría ser beneficioso para sistemas que necesitan liberar calor rápidamente.

El estudio confirmó que el carbono y la cera no reaccionaron químicamente entre sí para formar una nueva sustancia; en cambio, se combinaron físicamente. La estructura de carbono simplemente proporcionó un contenedor y una vía para que el calor viajara a través de ella. Si bien la cantidad total de calor que el material podía almacenar era ligeramente inferior a la de la cera pura —debido a que el carbono en sí no se derrite ni almacena energía—, la cantidad siguió siendo lo suficientemente alta como para ser efectiva. Los investigadores señalaron que el material mantuvo su capacidad para almacenar energía incluso después de repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento, lo que indica una fuerte estabilidad. Al utilizar un método simple y escalable para crear un material que es a prueba de fugas, térmicamente conductor y eficiente en la captura de energía solar, el equipo ha producido un candidato que podría ayudar a mejorar cómo almacenamos y gestionamos la energía térmica en el futuro.