Aerogeles de carbono y compuestos funcionales híbridos con propiedades adecuadas para electrodos en desionización capacitiva

Abstract

La disponibilidad de agua potable en cantidad suficiente para la creciente población mundial, es uno de los principales retos sociales, económicos y tecnológicos del siglo XXI. Para resolver este problema, se han ideado procesos que permiten desalinizar el agua como la ósmosis inversa o destilación flash, que actualmente se emplean en plantas comerciales. No obstante, estos sistemas tienen un alto consumo de energía por lo que se necesitan tratamientos de desalación de aguas más competitivos en el mercado actual. La desionización capacitiva (CDI) es una técnica electroquímica para la eliminación de sales disueltas en agua que se basa en la adsorción del exceso de iones en una doble capa eléctrica (EDL) sobre la superficie de un electrodo. Consiste en la aplicación de un campo eléctrico entre dos electrodos separados por una disolución de las especies iónicas que se quieren eliminar. Ello provoca la migración de aniones y cationes hacia su correspondiente contralectrodo para compensar el exceso de carga generado en los mismos por el campo eléctrico. Cuando el electrodo tiene una elevada superficie la cantidad de sal adsorbida en la EDL puede ser significativa lo que convierte a la CDI en una técnica factible para la desalación de aguas. Por esta razón, cuanto más carga sean capaces de acumular los electrodos a un voltaje dado, es decir cuanto mayor sea su capacidad, más eficaz será el proceso de CDI desde el punto de vista energético. Se han sintetizado diversos materiales a base de carbono simples y compuestos para aplicarse como electrodos en CDI con diversos resultados, encontrándose que factores como la estructura porosa, la conductividad eléctrica, la oxidación superficial y la alta resistencia a la humectación limitan la cinética del proceso de carga y descarga y la capacidad de electroadsorción específica. Los aerogeles de carbono son materiales versátiles que permiten manipular en un amplio rango los factores anteriores mediante el ajuste de los parámetros de síntesis y de la formulación de precursores lo que permite optimizar el material para adaptarlo al proceso de CDI haciendofactible su implantación en el mercado para la reutilización de recursos hídricos. La técnica más utilizada en síntesis de aerogeles orgánicos se basa en el método sol-gel descrito por Pekala. El resultado de la nanoestructura de los aerogeles de carbono es muy sensible a las distintas formas de síntesis y condiciones de proceso. Los aerogeles presentan un comportamiento estable en procesos de electroadsorción de iones y buenas propiedades como materiales de electrodo. Dichos procesos están muy influenciados por el tamaño y la solvatación de los iones, el efecto de la superposición de capas y la disposición desordenada de poros para electrodos porosos.