De un «cracking» más limpio al oro negro

Mientras investigaba una forma más limpia y eficiente de producir etileno, Twizerimana había dado con el nuevo «oro negro», como se conoce al grafito en las industrias de alta tecnología y de la automoción. Este grafito es un componente clave de las baterías de iones de litio, que son esenciales para los vehículos eléctricos, la electrónica moderna y el almacenamiento de energía verde. Sin embargo, los métodos actuales para producir grafito, que requieren temperaturas de 3.000 ºC, distan mucho de ser eficientes desde el punto de vista energético, y hoy en día el 95 % del material procede de China.  

Conscientes de la necesidad de producir grafito e hidrógeno a nivel nacional de forma más eficiente, el equipo de la Universidad de Pittsburgh formado por Veser y Twizerimana, junto con el profesor adjunto Mohammad Masnadi y el doctorando Nader Sawtarie, solicitó una patente provisional y fundó la startup Graphonos Materials (anteriormente Grapheon). La empresa ha demostrado su novedosa tecnología en el laboratorio y ha llamado la atención de los inversores de capital riesgo, más recientemente en la Rice Business Plan Competition, donde ganó el premio Aramco Innovator Prize, dotado con 20 000 dólares.

Un descubrimiento inesperado

«Un obstáculo en la transición hacia una energía más limpia es la actitud de que o bien se está a favor o en contra de las energías renovables», afirmó Veser, catedrático de Ingeniería Química y Petrolera en la Escuela Swanson y miembro del cuerpo docente Leonard Peters en el Programa de Economía Circular de Covestro. «Mi investigación explora formas de vincular el procesamiento de los combustibles fósiles con un futuro más sostenible, apoyando esta transición». 

Junto con Masnadi, que ahora también ocupa el cargo de director de sostenibilidad de Graphonos Materials, Veser ha estado investigando nuevos métodos para separar, o «craquear», el etano, un componente principal del gas natural que se encuentra en el oeste de Pensilvania. La craqueo del etano en etileno requiere calor y genera carbono sólido a partir de reacciones secundarias, y el enfoque más habitual consiste en bombear vapor a un reactor para evitar que se obstruyan los tubos del mismo.

«Es un proceso que consume mucha energía y genera muchas emisiones, en el que la acumulación de carbono en el reactor obliga a detener periódicamente el proceso para su limpieza», explicó Veser, quien también es director de tecnología de Graphonos Materials. «En nuestra búsqueda de una alternativa más limpia, recurrimos a la catálisis con metal fundido, una técnica que no se utiliza de forma generalizada, pero que ya lleva casi un siglo en uso».

En lugar de utilizar un catalizador metálico sólido, los investigadores bombearon el etano a través de metal fundido, donde se deshidrogena. «Los metales fundidos tienen una ventaja increíble», señaló Masnadi. «Debido a la extrema densidad de los metales líquidos, el carbono flota y queda en la superficie».

Para su investigación de doctorado, Twizerimana —ahora director ejecutivo de Graphonos Materials e investigador posdoctoral en la Swanson School— estaba estudiando este proceso. Tal y como él mismo explicó: «Era hacia el final de mi doctorado y me di cuenta de que, con algunos de los metales que utilizábamos, el carbono que se formaba salía de forma diferente, más esponjoso. Decidimos analizarlo más detenidamente».

Twizerimana recurrió a Sawtarie, un compañero de posgrado que investigaba las propiedades únicas de los metales 2D en el Laboratorio de Nanoiónica y Electrónica de la profesora Susan Fullerton. «Parte de mi investigación de doctorado versaba sobre el grafeno, una forma de grafito», explicó Sawtarie, director de producto de Graphonos Materials. «Caractericé el subproducto, que resultó ser increíblemente valioso».

Un viaje a «la Super Bowl»

«Mientras buscábamos nuevas formas de craquear el etano, descubrimos que podíamos producir grafito apto para baterías calentando el etano a temperaturas inferiores a los 1 000 ºC», explicó Twizerimana. «Producimos grafito mediante un proceso más sostenible y económicamente competitivo, en el que se genera hidrógeno como un valioso coproducto».

La mayor parte del grafito apto para baterías se produce hoy en día en China mediante un proceso que consume muchísima energía. El coque de petróleo cristalino, denominado «coque en aguja», se calienta a 3.000 ºC en un proceso por lotes muy lento, en el que un solo lote puede tardar hasta tres semanas. Existen productores nacionales de grafito que utilizan este proceso intensivo, pero el grafito es más caro que el de China, que domina el mercado. 

El equipo de la Universidad de Pittsburgh desarrolló y validó un proceso que abarcó dos laboratorios de la Escuela Swanson y produjo dos ingredientes clave para un futuro energético más limpio. Al poner en marcha Graphonos Materials, encontraron un valioso apoyo en el Big Idea Center de la Universidad de Pittsburgh. El Centro ayuda a los estudiantes y al profesorado emprendedor a hacer realidad sus ideas, así como a desarrollar y presentar sus propuestas.

Este apoyo contribuiría a llevar a Graphonos Materials a lo que el profesor de la Universidad de Pittsburgh Christopher Wilmer denomina «la Super Bowl de los concursos de presentaciones». De los más de 550 equipos de todo el mundo que se presentaron para competir en la Rice Business Plan Competition, 41 fueron seleccionados junto con Graphonos Materials.

Este mes de abril, en la competición, fueron uno de los 15 equipos que llegaron a las semifinales y uno de los dos equipos que se hicieron con el Premio Aramco Innovator, dotado con 20 000 dólares. Según Aramco Ventures, este premio «reconoce las soluciones más innovadoras y de mayor impacto en la competición de este año y rinde homenaje a los emprendedores que encarnan este espíritu de descubrimiento y excelencia técnica».

En la Universidad de Pittsburgh, el equipo también ganó el Gran Premio del Concurso «Big Idea», dotado con 25 000 dólares. En conjunto, estos premios validaron su trabajo y su potencial para transformar la forma en que se producen el grafito y el hidrógeno. «Hemos aprendido que existe una gran necesidad de grafito sostenible y de bajo coste en el mercado», afirmó Twizerimana. «Ahora es el momento adecuado para satisfacerla».

«Estamos recaudando fondos para desarrollar nuestro primer sistema a escala de laboratorio totalmente integrado, que nos permitirá producir kilogramos al día y nos proporcionará la base de ingeniería necesaria para diseñar una unidad piloto», explicó Veser. Si tiene éxito, permitirá al equipo convertir el etano del oeste de Pensilvania en dos productos esenciales para la transición hacia una energía más limpia, aquí mismo, en Pittsburgh.