Los asfaltenos, un subproducto de la producción de petróleo crudo, son un material de desecho con potencial. Los científicos de la Universidad de Rice están decididos a encontrarlo convirtiendo el recurso rico en carbono en grafeno útil.

Muhammad Rahman, profesor asistente de investigación de ciencia de los materiales y nanoingeniería, está empleando el exclusivo proceso de calentamiento flash Joule de Rice para convertir instantáneamente los asfaltenos en grafeno turbostrático (alineado libremente) y mezclarlo en compuestos para aplicaciones térmicas, anticorrosivas y de impresión 3D.

El proceso hace un buen uso del material que de otro modo se quemaría para su reutilización como combustible o se desecharía en estanques de relaves y vertederos. Usar al menos parte de la reserva mundial de más de 1 billón de barriles de asfalteno como materia prima para el grafeno también sería bueno para el medio ambiente.

«El asfalteno es un gran dolor de cabeza para la industria petrolera, y creo que habrá mucho interés en esto», dijo Rahman, quien caracterizó el proceso como una forma escalable y sostenible de reducir las emisiones de carbono de la quema de asfalteno.

Rahman es el autor correspondiente principal del artículo en Science Advances codirigido por el químico de Rice James Tour, cuyo laboratorio desarrolló el calentamiento instantáneo Joule, el científico de materiales Pulickel Ajayan y Md Golam Kibria, profesor asistente de ingeniería química y petrolera en la Universidad de Calgary. Canadá.

Los asfaltenos ya tienen entre un 70 % y un 80 % de carbono. El laboratorio de Rice lo combina con alrededor del 20% de negro de carbón para agregar conductividad y lo destella con una descarga eléctrica, convirtiéndolo en grafeno en menos de un segundo. Otros elementos de la materia prima, incluidos el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre, se expulsan como gases.

«Tratamos de mantener el contenido de negro de humo lo más bajo posible porque queremos maximizar la utilización de asfaltenos», dijo Rahman.

«El gobierno ha estado presionando a las industrias petroleras para que se ocupen de esto», dijo el estudiante graduado de Rice y coautor principal MASR Saadi. «Hay miles de millones de barriles de asfalteno disponibles, por lo que comenzamos a trabajar en este proyecto principalmente para ver si podíamos fabricar fibra de carbono. Eso nos llevó a pensar que tal vez deberíamos intentar fabricar grafeno con calentamiento instantáneo Joule».

Con la certeza de que el proceso de Tour funcionó tan bien con el asfalteno como con otras materias primas, como plástico, desechos electrónicos, llantas, cenizas volantes de carbón e incluso piezas de automóviles, los investigadores se dispusieron a fabricar cosas con el grafeno.

Saadi, que trabaja con Rahman y Ajayan, mezcló el grafeno en compuestos y luego en tintas de polímero destinadas a impresoras 3D. «Hemos optimizado la reología de la tinta para mostrar que es imprimible», dijo, y señaló que las tintas no tienen más del 10% de grafeno mezclado. Próximamente se realizarán pruebas mecánicas de objetos impresos, dijo.

El estudiante graduado de Rice, Paul Advincula, miembro del laboratorio Tour, es el coautor principal del artículo. Los coautores son los estudiantes de posgrado de Rice Md Shajedul Hoque Thakur, Ali Khater, Jacob Beckham y Minghe Lou, la estudiante de pregrado Aasha Zinke y la investigadora posdoctoral Soumyabrata Roy; el investigador Shabab Saad, el ex alumno Ali Shayesteh Zeraati, el estudiante graduado Shariful Kibria Nabil y el asociado postdoctoral Md Abdullah Al Bari de la Universidad de Calgary; la estudiante de posgrado Sravani Bheemasetti y Venkataramana Gadhamshetty, profesora asociada, en la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur y su Centro de Ciencia y Tecnología de Ingeniería de Materiales 2D de Biopelículas; y el asistente de investigación Yiwen Zheng y Aniruddh Vashisth, profesor asistente de ingeniería mecánica de la Universidad de Washington.

La investigación fue financiada por los programas Alberta Innovates for Carbon Fiber Grand Challenge, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-19-1-0296), el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. (W912HZ-21-2-0050) y el National Fundación de Ciencias (1849206, 1920954).