Geles de Carbono

 Un gel es un coloide donde la fase continua es sólida y la discontinua es líquida. El proceso en el cual se forma un gel se denomina gelación. Los geles están compuestos por una gran cantidad de líquido por lo que exhiben densidades similares a los líquidos, aunque con la consistencia de un sólido, presentando la apariencia de un sólido gelatinoso.

 Los geles de carbono son materiales carbonosos formados por cadenas o aglomerados tipo coloidal de partículas poliméricas, con un diámetro típico de unos 10 nm. Este tipo de nanoestructura es la responsable de unas propiedades térmicas, acústicas, ópticas, eléctricas y mecánicas muy singulares. Además, son materiales que presentan una red interconectada de poros entre partículas y en las propias partículas, por lo que se trata de materiales carbonosos con un gran desarrollo textural, i.e. alta porosidad (>80%) y áreas superficiales (400-1200 m²/g). Debido a su estructura ultraporosa presentan una conductividad térmica extremadamente baja.

 Existe una gran diversidad de geles de carbono dependiendo de los precursores utilizados y el método de elaboración. En 1989, Pekala sintetizó el primer gel orgánico basado en la policondensación de resorcinol con formaldehído. El proceso de síntesis ocurre en tres etapas principales: 

(i) la reacción sol-gel donde el polímero se entrecruza y se forma el gel resorcinol-formaldehido

 (ii) el secado del gel saturado de disolvente y, finalmente

 (iii) la carbonización del gel orgánico para obtener el gel de carbono. 

Como las propiedades del gel de carbono están íntimamente relacionadas con su estructura, y ésta depende fuertemente de las condiciones de síntesis, variando éstas adecuadamente se pueden obtener una gran cantidad de materiales con muy diversas propiedades.

 La primera etapa consiste en la polimerización, gelación y curado. Los reactivos más utilizados son el resorcinol (R) y el formaldehído (F), aunque en algunos casos se han utilizado otros precursores, como melamina o furfural, para introducir distintos grupos funcionales. La policondensación del R y el F ocurre a través de una reacción sol-gel, que resulta en la formación de un gel con alto grado de entrecruzamiento.

La primera etapa de polimerización es una reacción de adición, la cual se ve favorecida con pH básicos, de ahí que se suela añadir a la solución un catalizador (C) de tipo básico (por ejemplo Na₂CO₃). El tipo y cantidad de catalizador influye en el pH de la disolución y por lo tanto en las reacciones de adición y condensación de esta primera etapa. La relación R/C es una de las condiciones de operación a tener en cuenta, ya que de ella depende el pH de la solución y éste va a influir en las propiedades texturales finales del gel (volumen de poros y superficie específica), capacidad electroquímica, etc. Tanto R, como F y C se disuelven en un medio que puede ser agua (hidrogeles o aguageles), o un disolvente orgánico (liogeles), y dentro de estos últimos si el disolvente es un alcohol los geles se pueden denominar alcogeles.  De la concentración en la disolución inicial depende también el tamaño de las partículas en el gel y su porosidad. Durante la gelación y el curado se produce el entrecruzamiento del gel, una etapa crucial para las propiedades finales del material, y nuevamente van a ser influyentes las concentraciones de R, F y C.

Antes de realizar la segunda etapa, secado del gel orgánico, se suele sustituir el disolvente utilizado en la primera etapa, si éste ha sido agua, mediante varios lavados con un disolvente orgánico. Este paso es necesario si se desea que la estructura desarrollada durante la gelación y curado del gel se mantenga y no colapse. La necesidad se hace más acusada si el método de secado a realizar es el secado supercrítico.

El secado del gel orgánico se puede realizar por distintos métodos: secado convencional, secado supercrítico y secado criogénico. Cada uno de éstos métodos de secado da lugar a un gel con unas características diferentes, y se le aplica por lo tanto una nomenclatura distinta: xerogel, aerogel y criogel, respectivamente. Con el secado convencional, se obtienen geles muy densos, denominados xerogeles. Estos geles presentan un cambio importante en la estructura del gel, produciéndose un colapso de la estructura porosa, que afecta fundamentalmente a los poros >10Å. Esto se debe a las tensiones sufridas entre las fases gas y líquida del disolvente.

Con el secado supercrítico, se evita el colapso de la estructura y por lo tanto, los aerogeles obtenidos conservan la estructura inicialmente formada por el gel orgánico. Se puede realizar el secado supercrítico con CO₂ o con acetona. En ambos casos, se trata de un método caro y laborioso, la utilización de acetona permite reducir algo la presión de trabajo, pero se necesitan temperaturas más altas que en el caso del CO₂, lo que en ocasiones afecta a la naturaleza del gel resultante.

Los criogeles, se obtienen mediante el secado criogénico, basado en la sublimación del disolvente congelado. El paso directo de sólido a gas permite minimizar las tensiones superficiales y preservar la estructura inicial del gel. Los criogeles son normalmente geles ligeros y mesoporosos.

La tercera etapa en la obtención de geles de carbono es la carbonización del gel orgánico. Normalmente se realiza bajo un flujo constante y moderado de un gas inerte (N₂, Ar o He). La temperatura durante la carbonización y el tiempo de residencia, son condiciones de operación que, nuevamente, van a influir en las propiedades finales del gel de carbono. Al aumentar la temperatura de carbonización, se reduce el contenido en oxígeno final, se modifica el volumen de poros y superficie específica, y por lo tanto la capacidad electroquímica de los geles obtenidos.

Las propiedades de los geles de carbono se pueden modificar también mediante la adicción de reactivos como surfactantes para modificar la polimerización, fibras de carbono durante la etapa de gelación, o dopaje con metales, etc. Lo cual hace que el campo de aplicación de los geles de carbono sea tremendamente amplio.

© 2007  J. Ángel Menéndez