En un paso importante hacia la creación de una economía circular y sostenible, investigadores de la Universidad Rice han publicado un estudio innovador en la revistaCarbón demuestran que las fibras de nanotubos de carbono (CNT) se pueden reciclar completamente sin pérdida de su estructura o propiedades. Este descubrimiento posiciona a las fibras CNT como una alternativa sostenible a los materiales tradicionales como metales, polímeros y fibras de carbono mucho más grandes, que son notoriamente difíciles de reciclar.
“El reciclaje ha sido durante mucho tiempo un desafío en la industria de materiales: el reciclaje de metales es a menudo ineficiente y consume mucha energía, los polímeros pierden sus propiedades después del reciclaje y las fibras de carbono no se pueden reciclar en absoluto, sólo se reciclan en pedazos más pequeños”, dijo el autor Matteo Pasquali. , director del Rice Carbon Hub y profesor AJ Hartsook en los departamentos de química e ingeniería biomolecular, ciencia de materiales y nanoingeniería, y química. “A medida que las fibras CNT se amplían, nos preguntamos si estos nuevos materiales podrían reciclarse en el futuro para evitar de manera proactiva los problemas de gestión de residuos que tienen otros materiales de ingeniería cuando alcanzan un uso a gran escala. Esperábamos que el reciclaje fuera difícil. Y sorprendentemente , descubrimos que las fibras de nanotubos de carbono superan la reciclabilidad de los materiales de ingeniería existentes, proporcionando una solución a un importante problema medioambiental”.
El equipo de investigación utilizó fibras CNT hiladas en solución obtenidas disolviendo CNT comerciales de grado de fibra en ácido clorosulfónico, un solvente industrial ampliamente utilizado. Debido a que el reciclaje al final de su vida útil combina materiales fabricados por diferentes empresas en diferentes procesos, es importante evaluar la influencia de múltiples fuentes de materiales en el proceso de fabricación de la fibra y sus propiedades. era importante. Las fibras hechas de diferentes tipos de CNT producidos por diferentes fabricantes se procesaron inicialmente en fibras vírgenes individuales de una sola fuente, luego se reciclaron combinándolas y mezclándolas con ácido clorosulfónico. estaba hecho Sorprendentemente, la mezcla de las dos fibras dio como resultado una redisolución completa y no mostró signos de separación de los dos materiales de origen en diferentes fases líquidas. Este material redisuelto se convirtió en una fibra reciclada de fuente mixta que conservaba la misma estructura y alineación de la fibra virgen.
“Al utilizar dos fuentes diferentes de nanotubos de carbono, nos aseguramos de que nuestro proceso de reciclaje fuera representativo de las condiciones de la vida real”, dijo la coautora Michelle Duran-Chaves, estudiante de posgrado en química. “En particular, las fibras recicladas exhibieron resistencia mecánica, conductividad eléctrica, conductividad térmica y alineación equivalentes, lo que no tiene precedentes en materiales de ingeniería”.
La investigación reveló varios hallazgos importantes que posicionan a las fibras CNT como un material prometedor en el camino hacia prácticas sostenibles. El más importante de ellos es la completa reciclabilidad de las fibras CNT. A diferencia de los materiales tradicionales, especialmente los polímeros y las fibras de carbono, cuya calidad se degrada durante el reciclaje, las fibras CNT conservan el 100% de sus propiedades originales después del reciclaje.
“Esta preservación de la calidad significa que las fibras CNT se pueden usar y reutilizar en aplicaciones exigentes sin comprometer el rendimiento, extendiendo así su ciclo de vida y reduciendo la necesidad de nuevas materias primas”, dijo el coautor Evan R. Sequeira, recién graduada de doctorado de Rice. Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y actualmente es Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica en la Pontificia Universidade Católica de Río de Janeiro.
Igualmente importante es la eficiencia del proceso de reciclaje. Los investigadores han demostrado que el reciclaje de fibra CNT es significativamente más eficiente que los métodos tradicionales de reciclaje de metales y polímeros, que a menudo implican un alto uso de energía, productos químicos peligrosos o una clasificación que requiere mucha mano de obra. Sin embargo, las fibras CNT se pueden reciclar sin clasificarlas porque se pueden combinar fibras de diferentes fuentes para crear materiales reciclados de alta calidad. Una vez que estos materiales alcancen escala, este simple proceso de reciclaje reducirá significativamente los desechos, el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono asociados con la producción de materiales.
“La capacidad de reciclar completamente las fibras CNT tiene enormes implicaciones para industrias como la aeroespacial, la automotriz y la electrónica”, dijo Duran-Chaves. “Esperamos que esto pueda allanar el camino para la creación de compuestos totalmente reciclables en aviones, vehículos, infraestructura civil y más, reduciendo en última instancia los impactos ambientales en una amplia gama de sectores”.
Otros coautores del artículo incluyen al ex alumno graduado de Rice, Oliver Dewey, ahora de Dexmat; Steven Williams; Cedric Ginestra, ahora de LyondellBasell; Yingru Song, ahora becaria postdoctoral en la Universidad Purdue; el ex alumno graduado de Rice, Juan de la Garza, ahora en Axiom Space; y Geoff Wehmeier, profesor asistente de ingeniería mecánica.
La investigación es parte del programa más amplio de Carbon Hub, una iniciativa liderada por Rice que desarrolla un futuro sin emisiones, donde se coproduzcan de manera eficiente y sostenible materiales de carbono avanzados e hidrógeno limpio a partir de hidrocarburos.
El trabajo fue realizado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, Robert A. fue apoyado por una beca de posgrado del Instituto Kennedy de la Fundación Welch, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Investigación de CO2 de la Fundación Novo Nordisk, Schlumberger. y una beca Riki Kobayashi del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice and Rice.