Los xerogeles de carbono son unos materiales fascinantes cuya porosidad y química superficial pueden diseñarse a medida, lo que les hace idóneos en múltiples aplicaciones. En MCAT (INCAR-CSIC) hemos desarrollado una tecnología única que permite la producción de estos materiales a una escala industrial. En base esta tecnología hemos creado nuestra EBT Xerolutions SL

1. Xerogeles de Carbono para
electrodos de
Súper-Condensadores:
Una realidad industrial generada de la
Investigación científica
J. Angel Menéndez
MCAT-INCAR-CSIC
www.incar.csic.es/mcat

3. Geles
Los geles son materiales formados por cadenas o aglomerados
de nanopartículas poliméricas tipo coloidal, obtenidas a partir
de una reacción sol-gel: Una reacción química, donde un
liquido se va condensando hasta formar un sólido, en un
proceso parecido a la formación de la gelatina
Gel Orgánico
Gel
Resorcinol
Formaldehido
(R/F)
¿Qué es un gel?
OH-
H+, D

4. Geles
Otros precursores de
(Aerogeles de Sílice)
TMOS, Si(OCH3)4
TEOS, Si(OCH2CH3)4
Si(OCR)4 + 4H2O = Si(OH)4 + 4ROH3
-Si(OH) + -Si(OH) = -Si-O-Si- +H2O
Cualquier benceno hidroxilado y aldehído
fenol ácido gálico melamina
ureafurfural
Productos “bio” Productos dopados

5. Formation of the organic structure
Step 1 (S1): nucleation Step 2 (S2): crosslinking
low pH
Slow process
Big nodules
Wide mesopores and macropores
high pH
S1 S2
Relatively quick process
Small nodules
Narrow mesopores
S1 S2
básicos
Na (OH), Ca (OH)2,
Na2CO3, NH4OH…
ácidos
C2H4O2, HNO3, HCl, …
meso/macroporesmicropores
(after thermal treatment)
Geles
2 nm<dp<50 nm
dp<2 nm dp>50 nm
Nanotecnología del hueco: “nanovoids”

6. Aquageles/Hidrogeles: agua
Liogeles/Alcogeles acetona, metanol, etanol,
propanol, …
Geles

7. -. (Del gr. ξηρο-).
1. elem. compos. Significa 'seco',
'árido
Secado o eliminación del disolvente
evitando, o minimizando, las tensiones
superficiales, para evitar el colapso de
la estructura porosa
distinto disolvente = distintas tensiones
agua (20ºC) = 72,8 10-3 N/m
acetona (20ºC) = 27,7 10-3 N/m
ciclohexano (25ºC) = 25,5 10-3 N/m
ΔP = -(2/R)  cos

8. -. (Del gr. ξηρο-).
1. elem. compos. Significa 'seco',
'árido
Secado o eliminación del disolvente
evitando, o minimizando, las tensiones
superficiales, para evitar el colapso de
la estructura porosa
GAS
PHASE
SOLID
PHASE
critical point
TEMPERATURE
PRESSURE
FINAL
POINT
LIQUID
PHASE
evaporation
(XEROGELS)
INITIAL
POINT
solvent
supercritical
elimination
(AEROGELS)
sublimation
(CRYOGELS)
Condiciones críticas de disolventes:
agua: 375ºC, 220 bar
etanol: 243ºC, 64 bar
acetona: 235ºC, 46 bar
CO2: 31ºC, 74 bar
El agua cambia
mucho de volumen al
congelarse y destruye
la porosidad

9. Freeze Dryer
Autoclave
Xerogeles
•t secado largos
Criogeles
•Tª criogénica y vacío
•t secado largos
•intercambio de disolventes
La síntesis de geles implica procesos complicados y
muy lentos, que presentan grandes dificultades de
escalado. Por eso la producción industrial de geles de
carbono es escasa y costosa
Stove
Aerogeles
•P y Tª elevadas
•t secado largos
•intercambio de disolventes

11. Xerogeles de Carbono
Carbonización (400 ºC – 1000 ºC)
• Aumento de los microporos por
eliminación de volátiles
• Cambios en la Qca. Superficial por
eliminación de grupos -OH
• Aumento de la conductividad eléctrica
Activación (Física: CO2, H2O – Química: KOH, H3PO4,…)
• Aumento de la microporosidad
• Cambios en la Qca. Superficial
Formación de
microporos

12. Variables
Temperatura
t de residencia
calentamiento
flujo de gas
agente activante
tipo de reactor
…
OX
SBET 320
m2/g
Vmeso 0.25
cm3/g
dp 12 nm
CX
SBET 620
m2/g
Vmeso 0.25
cm3/g
dp 11 nm
AX
SBET 2800
m2/g
Vmeso 0.40
cm3/g
dp 10 nm
GX
SBET 80
m2/g
Vmeso 0.30
cm3/g
dp 10 nm
= = =

13. Geles
POLIMERIZACIÓN SECADO T. TÉRMICO

14. … si somos capaces de
controlar la influencia de las
múltiples variables y sus
interdependencias
pH

15. XEROGELES ORGANICOS
Aislantes térmicos
Adsorbentes aceites pesados
Soporte de enzimas
...
XEROGELES DE CARBONO
Electroquímica
Tratamiento de gases
Tratamiento de aguas
Soporte de catalizadores
…

16. úper-condensadores

17. úper-condensadores
Diferencias con
las baterías

18. úper-condensadores
MERCADO
672 millones $ en 2012
(Transparency Market Research 2013)
Crecimiento anual
25.2 %

19. úper-condensadores
Puntos clave de los SC:
 Configuración SC
(contactos, espesores, aditivos,
simétricos/asimétricos, híbridos, etc.)
 Electrolito (ventana de potencial,
conductividad, etc.)
o Acuoso (1V, 700mS/cm)
o Orgánico (2.5V, 60mS/cm)
o Líquidos Iónicos (4V, 70mS/cm)
 Material activo

20. úper-condensadores
NECESIDADES
SUPERCONDENSADORES
NECESIDADES
MATERIAL ACTIVO
CARBÓN ACTIVADO
XEROGELES DE
CARBONO
↑ Densidad Energía
↑ Capacitancia
volumétrica
SBET
1800-2000 m2/g
SBET
> 2000 m2/g
↑Capacitancia
gravimétrica
Superficie interna
compatible
Material Natural Diseño Ad Hoc
↑ Densidad Potencia
Accesibilidad de los
iones a los poros
Sin mesoporos
↑Mesoporosidad
Diseño Ad Hoc
Baja Alta↑ Conductividad
↑ Ciclabilidad ↓ Impurezas Material Natural
Material Sintético
(composición controlada)

21. úper-condensadores
*calculada a partir de test de carga-descarga
(I = 200 mA g-1; U = 1.0 V; electrolito: H2SO4 1 M)
Casa
comercial
Material
activo
Mesoporosidad
(%)
dmesoporo
(nm)
C
(F g-1)*
SUPER30 35 2-4 122
SUPRA30 35 2-4 115
SUPRA50 35 2-4 110
YEC-8A 27 2-4 161
YEC-8B 21 2-4 144
SUPERCAP
BP10
50 2-16 118
SO-15A 23 2-4 107
YP-50F 22 2-3 132
XER-HSA 56 2-16 196
Buena ciclabilidad
(caídas < 15%)

22. úper-condensadores
materiales activos
en el mercado
XEROGELES DE CARBONO

23. úper-condensadores
Comparativa de materiales
activos en el mercado

24. Una Realidad
Industrial
generada de la
Investigación
científica

25. El problema
Tiempos de síntesis muy largos
(varios días)
Tecnología y equipamiento
complicados que usan condiciones
supercríticas, vacío o presiones muy altas;
temperaturas criogénicas o muy
elevadas…

26. La solución
Canal de ciencia recreativa
www.youtube.com/user/asturcon24c
Reducción del tiempo del
proceso en un 95%
Condiciones de operación
suaves

27. La solución
Control y monitorización de TODO el proceso
(calentamiento+gelación+curado+secado) en un UNICO DISPOSITIVO
Siguen siendo xerogeles ”a medida” las variables físicas
del proceso tienen poca influencia y sabemos como
influyen las variables químicas

28. La solución
El escalado es viable!!!

29. La patente
(+secreto industrial)

30. TÉCNICOS
• Escalar el proceso y los
equipos
• Cumplir con toda la
normativa
• Formar un equipo
técnico
• Resolver problemas
que ni siquiera
imaginabas
• Mantener la
investigación
constantemente
…..
FINANCIEROS
COMERCIALES
• Constituir y registrar la
empresa
• Enfrentarse a la burocracia
• Conocer el mercado
• Hacer un plan de negocio
• Hacer un plan financiero
• Encontrar financiación
• Encontrar apoyos
• Encontrar clientes
• Salvar el “valle de la
muerte”
…
Startup, spin-off, EBT, EIBT, PYME (SME), S.L., S.A. …
3F, business angels, crowdfunding, venture capital (capital riesgo),
private equity (capital inversión ) MBO / MBI / BIMBO …
La empresa

31. MADE FOR YOU

32. Las disoluciones de
formaldehido
se estabilizan con
metanol, en
proporciones
variables según el
suministrador.
SUMINISTRADOR MeOH (wt. %)
Fernández Rapado <1.3
Panreac 9-14
Merck Chemicals 10
Sigma-Aldrich 10-15
Spi-Chem nd
El misterio de la falta de
reproducibilidad haciéndolo
todo igual

33. XEROGEL ORGÁNICO
• Uso de precursores “bio”
• Hilado
• Soportes de enzimas
• Materiales porosos súper-hidrófobos
• Súper-aislantes térmicos
XEROGEL DE CARBONO
• Ánodo de baterías de Li
• Soporte de enzimas

34. ¿Tienes una idea?
www.xerolutions.comwww.incar.csic.es/mcat
aapuente@incar.csic.es angelmd@incar.csic.es
Los xerogeles son materiales fascinantes que
TÚtambién puedes usar

35. ¿Y si fracaso?
El 80% de las pymes fracasa antes
de los cinco años y el 90% no llega
a los diez años.

37. Agradecimientos
CDTI-CENIT: SOT-CO2 and VIDA
MICINN, Plan Nacional de I+D+I, INNPACTO
CSIC
Dr. J. Angel Menéndez
Dra. Ana Arenillas de la Puente
Dr. Miguel Montes
Dra. Yolanda Fernández
Dra. Beatriz Fidalgo
Dra. Leire Zubizarreta
Dr. Emilio Juárez
Dr. Ángel Hernández
Dra. Esther Gómez
Dr. Jose Miguel Bermúdez
Dr. Esteban Ruisánchez
Dra. Natalia Rey
Dr. Daniel Beneroso
Isabel Díaz
Sara Fernández
Sandra Rodríguez
Nuria Ferrera
María Canal
Exeleria S.A.
Fundacion Investigacion e Innovacion para el
desarrollo social
KUST
MATGAS 2000 AIE
PCTI-Asturias
Biogas Fuel Cell S.A.
ArcelorMittal
Carburos Metálicos
UE-FP7, SYNPOL PROJECT
Soporte económico:
Actuales y antiguos miembros
de MCAT:
Xerolutions S.L.
FUNDACIÓN REPSOL

38. www.xerolutions.com www.incar.csic.es/mcat