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Valorization of Petroleum coke into High-Quality Few-Layer Graphene through Liquid-Phase Exfoliation

Este artículo presenta un método no oxidativo y escalable que convierte coque de petróleo de bajo valor en nanohojas de grafeno de pocas capas y alta calidad, con alta conductividad y estabilidad, mediante un pretratamiento secuencial con isopropanol, desulfuración térmica y exfoliación en fase líquida asistida por CO₂.

Autores originales: Masfer Alkahtani, Yahya Alzahrani, Abdulmalik Alessa, Abdulaziz Alromaeh, Majed Aljomah, Faisal Alghannam, Fahad Albaqami, Anas Almuqhim, Abdulaziz Aljuwair, Ramu Banavath, Micah Green, Philip Hemmer

Publicado 2026-08-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Masfer Alkahtani, Yahya Alzahrani, Abdulmalik Alessa, Abdulaziz Alromaeh, Majed Aljomah, Faisal Alghannam, Fahad Albaqami, Anas Almuqhim, Abdulaziz Aljuwair, Ramu Banavath, Micah Green, Philip Hemmer

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La magia de convertir la basura en tesoros

Imagine un mundo donde las cosas que solemos tirar o quemar como combustible barato pudieran transformarse en el "material maravilla" del futuro. Este es el emocionante rincón de la ciencia llamado ciencia de materiales, centrado específicamente en el carbono. El carbono es el bloque de construcción de la vida, pero cuando se dispone en un patrón de panal de abeja plano y muy específico, se convierte en grafeno. Piense en el grafeno como una sola capa de una malla de gallinero hecha de átomos de carbono; es increíblemente fuerte, ligero y conduce la electricidad mejor que casi cualquier otra cosa.

Sin embargo, fabricar grafeno suele ser difícil y costoso. La mayoría de los métodos requieren empezar con grafito de alta calidad (como el de los lápices) o utilizar productos químicos fuertes y tóxicos que dañan el material. Este artículo aborda una gran pregunta: ¿Podemos tomar un producto de desecho de bajo valor y sucio de las refinerías de petróleo y convertirlo en grafeno de alta calidad sin usar esos químicos desagradables? Los autores están explorando una forma "verde" de mejorar el coque de petróleo (un subproducto negro y duro de la refinación del petróleo) para convertirlo en algo valioso, demostando que, a veces, las mejores materias primas se esconden a plena vista como desechos industriales.

De residuo rocoso a láminas brillantes

En este estudio, un equipo de investigadores de Arabia Saudita y Estados Unidos decidió probar una nueva receta para fabricar grafeno. En lugar de utilizar grafito costoso o ácidos peligrosos, comenzaron con coque de petróleo (o "pet coke"). Puede pensar en el pet coke como la "ceniza" que queda después de que las refinerías de petróleo procesan crudo pesado. Normalmente, este material solo se quema para combustible o se utiliza en la fabricación de acero, pero los investigadores vieron potencial para algo mucho más genial.

Su objetivo era convertir este residuo rocoso y lleno de azufre en grafeno de pocas capas, que es básicamente una pila de solo unas pocas hojas del supermaterial, en lugar de una sola hoja perfecta. Para lograrlo, desarrollaron un proceso de tres pasos que evita los métodos habituales de "oxidación" (quemar con oxígeno) que a menudo arruinan la estructura del grafeno.

Paso 1: El tratamiento de spa
Primero, le dieron al pet coke un baño. Trituraron las rocas en trozos diminutos (menores a 90 micrómetros) y las lavaron con isopropanol caliente (lo mismo que se encuentra en el alcohol de limpieza). Imagine esto como fregar una esponja sucia para eliminar toda la grasa y el alquitrán pegados al exterior. Este paso limpió la superficie y preparó las partículas para recibir el siguiente tratamiento.

Paso 2: El horno de aire caliente
A continuación, colocaron el pet coke limpio en un horno especial lleno de gas argón (un gas inerte que no reacciona con nada) y lo calentaron hasta alcanzar unos abrasadores 1400 °C. Esto no era solo para que estuviera caliente; era para "reorganizar" los átomos en su interior. El calor actuó como un escultor, suavizando la estructura de carbono desordenada y eliminando el azufre (un elemento oloroso y dañino) y otras impurezas. Después de este paso, el material era mucho más ordenado, pareciéndose más a la estructura de panal perfecta necesaria para el grafeno. Los investigadores descubrieron que este tratamiento térmico aumentó la pureza del carbono al 96.6 % en peso y eliminó aproximadamente el 76 % del azufre.

Paso 3: La explosión burbujeante
Finalmente, tomaron este carbono supercaliente y limpio y lo colocaron en una mezcla líquida de isopropanol y agua saturada con CO₂ (dióxido de carbono). Luego lo bombardearon con ondas sonoras usando una máquina llamada sonicador durante 10 a 12 horas. Puede imaginar esto como agitar una botella de refresco con mucha fuerza. Las burbujas de CO₂ crearon pequeñas explosiones (llamadas cavitación) en el líquido. Estas explosiones microscópicas separaron las capas de carbono, despegándolas como las páginas de un libro, convirtiendo los trozos sólidos en finas láminas flotantes de grafeno.

Lo que encontraron

Los resultados fueron impresionantes. El equipo logró convertir el sucio pet coke en grafeno de pocas capas que tiene, en su mayoría, un grosor de 3 a 5 capas. Utilizaron varios microscopios y pruebas para demostrar que funcionaba:

Control de calidad: Cuando observaron el material con un láser (espectroscopia Raman), las señales mostraron que el grafeno estaba bien ordenado y tenía muy pocos defectos. La relación entre las señales "buenas" y las "malas" mejoró significamente, mostrando que el proceso creó un material de alta calidad.
El tamaño importa: Usando un microscopio super sensible llamado Microscopio de Fuerza Atómica (AFM), contaron las escamas. Encontraron que el 93.5 % de las diminutas escamas eran menores de 0.6 µm de ancho, lo que significa que lograron descomponer el material en piezas pequeñas y utilizables.
Estabilidad: Mezclaron el grafeno en un líquido y lo observaron durante seis meses. No se asentó ni se apelmazó, manteniéndose estable como una pintura bien mezclada. Esto es crucial porque si el grafeno se cae del líquido, no puede usarse para fabricar tintas o recubrimientos.
Electricidad: Cuando secaron el grafeno en una película, este condujo la electricidad muy bien. Sin ningún calentamiento adicional, la película tuvo una conductividad de 165 S m⁻¹. Pero, si calentaron la película nuevamente en el horno (recocido) a 1400 °C, la conductividad saltó a 872 S m⁻¹. Este es un número muy alto, lo que significa que la electricidad fluye a través de él casi tan fácilmente como a través de algunos metales.

Por qué esto es importante

Los investigadores demostraron que este método no es algo de un solo uso. Probaron con otros materiales de desecho como el asfalteno (otro subproducto del petróleo), posos de café usados y biochar (carbón vegetal de plantas). En cada caso, la misma receta de "lavar, calentar y burbujear" convirtió estos diferentes artículos de desecho en láminas tipo grafeno.

Este artículo sugiere que no necesitamos depender de grafito de alta pureza y costoso para hacer grafeno. En su lugar, podemos tomar desechos industriales baratos, abundantes y a menudo problemáticos como el pet coke y convertirlos en un material de alta tecnología. Al evitar los productos químicos agresivos y utilizar un proceso escalable, han abierto una puerta para que el grafeno sea más barato y sostenible. Aunque el proceso todavía requiere altas temperaturas y energía, la capacidad de transformar un combustible de bajo valor en un material que vale miles de dólares por tonelada ofrece un camino prometedor para el futuro del almacenamiento de energía, los recubrimientos conductores y la electrónica.

Resumen Técnico: Valorización de Coque de Petróleo en Grafeno de Pocas Capas de Alta Calidad

Planteamiento del Problema
El coque de petróleo (pet coke) es un subproducto rico en carbono y de bajo valor derivado de la refinación del petróleo, utilizado tradicionalmente como combustible o fuente de carbono metalúrgico. Sus aplicaciones actuales generan beneficios económicos mínimos y plantean riesgos ambientales debido al contenido de azufre, heteroátomos y emisiones de metales traza durante la combustión. Si bien la conversión de pet coke en grafeno de alto valor ofrece una vía para la valorización de residuos de carbono, los métodos de síntesis existentes enfrentan obstáculos significos. Los enfoques convencionales, como el método de Hummers (oxidación-reducción), introducen defectos que degradan la conductividad eléctrica y requieren productos químicos agresivos. La exfoliación mecánica carece de escalabilidad y los métodos electroquímicos suelen sufrir de bajos rendimientos (~1,6%) y requisitos de purificación complejos. La exfoliación en fase líquida (LPE) típicamente depende de solventes tóxicos de alto punto de ebullición como el NMP o el DMF. Existe una necesidad crítica de una ruta respetuosa con el medio ambiente, no oxidante y escalable para producir grafeno de pocas capas de alta calidad a partir de bajo costo coque de petróleo.

Metodología
Los autores proponen una estrategia escalable y libre de oxidación que involucra tres etapas secuenciales para convertir coque de grado combustible en grafeno de pocas capas (FLG) conductor:

Pretratamiento con Isopropanol (IPA): El pet coke bruto se tritura (<90 µm) y se lava con IPA caliente. Este paso elimina impurezas de hidrocarburos, residuos de alquitrán y contaminantes superficiales, mejorando el mojado de las partículas de carbono y preparándolas para la grafitización.
Desulfuración Térmica y Activación: El coque pretratado se somete a un recocido térmico en una atmósfera inerte de argón. El proceso implica un protocolo de calentamiento de dos pasos: carbonización a 500 °C seguida de un recocido a alta temperatura hasta 1400 °C. Este paso promueve el ordenamiento grafítico, elimina el azufre y otros heteroátomos, y aumenta el grado de grafitización.
Exfoliación en Fase Líquida Asistida por CO₂: El coque térmicamente activado se dispersa en una mezcla de solventes de IPA y agua saturada con CO₂ (optimizada en una relación de volumen 1:1). La mezcla se somete a sonicación ultrasónica (500 W) durante 10–12 horas. La saturación de CO₂ mejora la cavitación acústica, facilitando la delaminación de las capas grafíticas, mientras que el IPA estabiliza las nanohojas resultantes.

Tras la exfoliación, la suspensión se somete a una centrifugación suave (500 rpm, 3 minutos) para eliminar el material voluminoso no exfoliado, enriqueciendo la dispersión con nanoflakes de pocas capas.

Contribuciones Clave y Resultados

Transformación Estructural: El análisis de difracción de rayos X (XRD) reveló que el recocido térmico a 1400 °C desplazó el pico (002) de 25.36° a 26.41°, reduciendo el espaciamiento interplanar de 0.351 nm a 0.337 nm. Esto corresponde a un grado de grafitización calculado de aproximadamente el 78%.
Purificación: El análisis elemental (EDS) demostró una reducción significativa de las impurezas. El contenido de carbono aumentó de 81.4 % en peso a 96.6 % en peso, mientras que el contenido de azufre disminuyó de 8.78 % en peso a 2.1 % en peso (una reducción de ~76%), desulfurando eficazmente la materia prima sin oxidantes químicos fuertes.
Eficiencia de Exfoliación: La espectroscopia Raman indicó una mejora marcada en la calidad del grafeno. La relación $I_{2D}/I_G$ aumentó de 0.28 (coque bruto) a 0.67 (recocido a 1400 °C), mientras que la relación $I_D/I_G$ disminuyó de 1.12 a 0.60, lo que significa una reducción del desorden estructural y la formación exitosa de hojas de pocas capas.
Morfología y Dimensiones: La microscopía (SEM, TEM, HRTEM y AFM) confirmó la formación de nanohojas arrugadas y similares a placas. Los perfiles de altura de HRTEM y AFM indicaron que las escamas consisten en 3–5 capas con un espesor de 5–7 nm. El análisis estadístico de las imágenes de AFM mostró que el 93.5% de las nanoflakes detectadas tenían dimensiones laterales inferiores a 0.6 µm.
Estabilidad de Dispersión: Las dispersiones de grafeno resultantes en un solvente de agua-etanol exhibieron estabilidad por hasta seis meses, con un potencial zeta de aproximadamente −25 mV y sin degradación química observable ni reagregación.
Desempeño Eléctrico: La conductividad eléctrica de las películas de grafeno derivadas se evaluó bajo diversas condiciones de procesamiento:
- Películas por goteo (sin recocido): 165 S m⁻¹.
- Papel de buckypaper filtrado al vacío: 365 S m⁻¹.
- Papel de buckypaper filtrado al vacío recocido a 1400 °C: 872 S m⁻¹.
  Estos valores son competitivos con, y en algunos casos superiores a, las películas de grafeno derivadas de grafito comercial o métodos previamente reportados para derivados de coque, particularmente considerando la ausencia de recocido post-película en la etapa inicial de buckypaper.

Significancia y Alcance
El artículo establece el coque de petróleo como un recurso de carbono viable y de bajo costo para la producción sostenible de grafeno de pocas capas de alta calidad. La principal significancia de este trabajo radica en la demostración de una ruta no oxidante y escalable que transforma los residuos de refinería en materiales de valor añadido adecuados para el almacenamiento de energía, recubrimientos conductores y compuestos.

Los autores enfatizan la versatilidad de este protocolo libre de oxidación, señalando que se extendió con éxito a otros sustratos carbonosos, incluyendo grafito, asfalteno, granos de café usados y biochar. Si bien el estudio se centra en la viabilidad técnica y las métricas de desempeño del grafeno producido, posiciona el método como una solución práctica para expandir la economía del grafeno mediante la utilización de recursos de carbono de bajo costo y subutilizados. El trabajo no pretende haber resuelto todos los desafíos de escalabilidad, sino que proporciona una vía probada para convertir el coque de petróleo de bajo valor en materiales con características de desempeño comparables a los derivados de precursores de grafito costosos.

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