Avances científicos en la protección contra la corrosión mediante recubrimientos de grafeno

Introducción

Los recubrimientos de grafeno, un nanomaterial polimérico, representan un avance innovador en el control de la corrosión. Compuesto por capas de carbono dispuestas en una estructura hexagonal, el grafeno es extraordinariamente resistente y liviano, prometiendo transformar las industrias con su versatilidad y propiedades únicas.

La corrosión, causada principalmente por factores ambientales como el oxígeno, la humedad, y los electrolitos, representa una amenaza significativa para la durabilidad de los materiales metálicos, reduciendo su vida útil y generando costos económicos considerables, además de plantear riesgos para la seguridad industrial. En respuesta a esta problemática, actualmente se están realizando estudios científicos en la búsqueda de soluciones efectivas para mitigar los efectos perjudiciales de la corrosión.

El grafeno, reconocido a nivel internacional por sus propiedades potenciales en diferentes áreas, ha sido objeto de significativas inversiones en proyectos de investigación y desarrollo. Este material, utilizado en una amplia variedad de aplicaciones, que van desde la física cuántica y la nanoelectrónica hasta la catálisis y la ingeniería de materiales, ha generado un gran interés científico y tecnológico¹; particularmente en el área de corrosión debido a su estructura hexagonal de átomos de carbono que le confiere una alta resistencia a la abrasión y al desgaste.

Bajo este contexto, en el presente artículo se expone una breve revisión de los avances recientes en el desarrollo del grafeno como recubrimiento anticorrosivo, resaltando su capacidad para formar barreras efectivas contra los agentes corrosivos.

El grafeno, propiedades y sus principales aplicaciones

¿Qué es el grafeno?

El grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura en forma de red hexagonal; la cual; se puede apreciar en la figura 1, ha sido reconocido como un prometedor recubrimiento protector en diferentes aplicaciones industriales. Su estructura le confiere una serie de propiedades interesantes que lo hacen ideal para la prevención de la corrosión de diversos materiales metálicos.

El grafeno, una película bidimensional atómicamente delgada de átomos de carbono, presenta características y propiedades, que han demostrado que los recubrimientos de grafeno, de una o varias capas atómicas de espesor sobre metales, mejoran su resistencia a la corrosión hasta en un orden y medio de magnitud. 

Propiedades del grafeno como recubrimiento anticorrosivo

Este material presenta una combinación de propiedades que lo hacen altamente efectivo como recubrimiento protector contra la corrosión. A continuación, se describen las características más resaltantes que califican a esta compuesto como una barrera protectora anticorrosiva.

1. Alta resistencia mecánica: Es un material extremadamente resistente, por lo que puede soportar tensiones mecánicas y proteger el sustrato subyacente de daños.
2. Excelente conductividad eléctrica y térmica: Presenta una alta conductividad eléctrica y térmica, lo cual, permite una distribución uniforme de la corriente y una rápida disipación del calor, ayudando a prevenir la formación de puntos calientes que pueden provocar corrosión por altas temperatura.
3. Barrera impermeable: Es impermeable, propiedad que evita la penetración de humedad, oxígeno y otros agentes corrosivos, proporcionando una barrera efectiva contra la corrosión.
4. Compatibilidad ambiental: Es altamente resistente a la degradación química y la oxidación, lo que lo hace adecuado para su uso en una variedad de entornos corrosivos, incluidos ambientes marinos e industriales.

Aplicaciones del grafeno en la industria

Sus propiedades como la resistencia química, a la humedad, a la corrosión, a los rayos UV y al fuego, lo convierten en una opción ideal para proteger superficies metálicas contra la degradación y desgaste mecánico. En la industria, los recubrimientos de grafeno actúan como una barrera protectora que impide la difusión de agentes corrosivos, prolongando la vida útil de estructuras y equipos metálicos.

A continuación se presenta un video sobre las aplicaciones más importantes del grafeno. Cortesía de Energeia Graphenemex.

Mecanismo de protección de recubrimientos de grafeno como barrera 

Los revestimientos a base de óxido de grafeno, un nuevo aditivo nanotecnológico que contribuye a controlar la corrosión de los materiales metálicos mediante la formación de una barrera que evita la difusión de especies químicas (efecto-barrera). El óxido de grafeno crea vías en forma de laberintos, que evitan la difusión de oxígeno y moléculas de agua a través del recubrimiento y finalmente no lleguen hasta la superficie metálica, brindando protección contra la corrosión (figura 2). Estos compuestos pueden actuar de dos formas: (1) Formando una barrera, que impide en gran medida la penetración de átomos de oxígeno y moléculas de agua, y (2) Inhibiendo las reacciones electroquímicas del proceso de corrosión, al incrementar la resistividad eléctrica como la iónica².

Investigaciones científicas sobre el grafeno como recubrimiento anticorrosivo

Esta revisión resume los conocimientos actualizados sobre el grafeno puro y los recubrimientos compuestos a base de grafeno, incluida la protección catódica y los recubrimientos autorreparables. Se presta especial atención a la relación estructura-propiedad y a los mecanismos de anticorrosión en estos sistemas. Finalmente, también se analiza el papel compartido y distinto del grafeno en varios recubrimientos y sus perspectivas para futuras investigaciones.

El grafeno, una capa extremadamente delgada y resistente compuesta por átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal, posee propiedades que lo convierten en un material altamente resistente para su uso como recubrimiento protector en una amplia variedad de aplicaciones industriales³.

Su estructura en capas confiere al grafeno una flexibilidad excepcional, mientras que su resistencia a la tracción lo hace altamente resistente a la deformación y al desgarro. Además, el grafeno actúa como una barrera a nivel nanométrico, bloqueando eficazmente la difusión de moléculas procedentes de líquidos y gases, lo que lo hace especialmente adecuado para su aplicación como recubrimiento en metales como el cobre, el níquel y diversas aleaciones³ .

También se ha demostrado en otros estudios que el grafeno es estable e inerte químicamente. Esto indica que no reacciona con el oxígeno al estar expuesto en ambientes aireados⁴. Asimismo, presenta una alta capacidad de protección al sustrato por su alta energía de barrera a la difusión de los átomos de oxígeno⁵.

En estudios realizado por investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur, la Universidad Estatal de Oklahoma y el Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang demostró que los recubrimientos de grafeno ofrecen una mayor protección contra la corrosión inducida por microbios en comparación con los recubrimientos poliméricos convencionales⁶.

Específicamente, los resultados de este estudio mostraron que la disolución de níquel en una celda de corrosión con electrodos de Ni recubiertos de grafeno fue considerablemente menor que en los electrodos recubiertos de parileno-C (PA) y Poliuretano (PU), a pesar de que el recubrimiento de grafeno era mucho más delgado en comparación con los recubrimientos comerciales de PA y PU. Esto se atribuyó a la resistencia del grafeno al ataque microbiano y a la alta conformidad y ausencia de defectos en el recubrimiento de grafeno.

Como resultado, se sugiere que los recubrimientos de grafeno podrían tener un gran potencial en la protección contra la corrosión en entornos microbianos hostiles. Sin embargo, se necesita una investigación adicional para evaluar el rendimiento de estos recubrimientos en otros metales y en aplicaciones a gran escala en la industria de la construcción, especialmente en condiciones atmosféricas adversas.

Desafíos y futuras direcciones

• Identificación de los principales obstáculos en la implementación a gran escala del grafeno como recubrimiento anticorrosivo, como el costo de producción y la estandarización.
• Discusión sobre la necesidad de abordar cuestiones relacionadas con la durabilidad a largo plazo y la resistencia a la abrasión de los recubrimientos de grafeno.
• Reflexión sobre las perspectivas futuras para la investigación y desarrollo de tecnologías basadas en el grafeno en el campo de la protección contra la corrosión, incluida la integración con otras técnicas de prevención de la corrosión y la aplicación en nuevos sectores industriales.
• Uno de los desafíos en el desarrollo de recubrimientos de grafeno a escala comercial ha sido el desarrollo de métodos para la fabricación de películas de grafeno sin defectos y de gran superficie adecuadas para uso industrial. Investigadores de la Universidad de Manchester han abordado este problema aplicando primero laminados de óxido de grafeno y luego reduciéndolos químicamente a grafeno utilizando ácidos yodhídrico y ascórbico⁷.

Conclusiones

Con base en la revisión realizada en este artículo con respecto a los avances en investigación del grafeno como un recubrimiento anticorrosivo, se desprende que los resultados obtenidos han sido significativos, demostrando la capacidad de este material para funcionar como una capa protectora y barrera de difusión contra la corrosión. Estos avances han abierto nuevas posibilidades para el desarrollo de revestimientos más efectivos contra la corrosión en materiales metálicos.

A pesar del gran potencial de las propiedades del grafeno, aún persisten desafíos importantes en la creación exitosa de recubrimientos de alta calidad. Es importante que las empresas y las instituciones académicas continúen invirtiendo en investigación y desarrollo para superar estos obstáculos y aprovechar plenamente los beneficios del grafeno como un recubrimiento eficaz y resistente a la corrosión.

Referencias bibliográficas

1. Kun Zhou; “Recent progress on graphene-analogous 2D nanomaterials: Properties, modeling and applications”; Progress in Materials Science;  Volume 100, February 2019, Pages 99-169.
2. Ollik K, Lieder M; “Revisión de la aplicación de recubrimientos a base de grafeno como capas anticorrosión”; Recubrimientos 2020 , 10 (9), 883; https://doi.org/10.3390/coatings10090883
3. J. hu, Y. Ji, Y. Shi, F. Hui, H. Duan, and M. Lanza, “A Review on the use of Graphene as a Protective Coating against Corrosion,” Ann J Mater. Sci Eng, vol. 1, p. 16, Nov. 2014.
4. U. Mogera, N. Kurra, and D. Radhakrishnan, “Low cost , rapid synthesis of graphene on Ni : An efficient barrier for corrosion and thermal oxidation,” Carbon N. Y., vol. 78, no. Cvd, pp. 384–391, 2014.
5. M. Topsakal, H. Aahin, and S. Ciraci, “Graphene coatings: An efficient protection from oxidation,” Phys. Rev. B – Condens. Matter Mater. Phys., vol. 85, no. 15, 2012.
6. Ghosh Tuhin and Karak Niranjan. Mechanically robust hydrophobic interpenetrating polymer network-based nanocomposites of hyperbranched polyurethane and polystyrene as an effective anticorrosive coating. New J. Chem., 2020, 44, 5980-5994.
7. 4. Nair, RR, et al, Nature Communications, 5, artículo n.° 4843 (2014); doi:10.1038/ncomms5843