‘Energía (general)’

UCRA’19. “First conference of Unconventional Catalysis, Reactors and Applications”

Autor: Ana Serrano-Lotina-Instituto de Catálisis y Petroleoquímica-CSIC

A mediados de octubre se celebró en Zaragoza la primera conferencia relacionada con catálisis, reactores y aplicaciones no convencionales,

UCRA2019. El congreso contó con más de 120 asistentes y se han presentado un total de 264 comunicaciones, de las cuales 49 fueron orales y 36 póster.

Se presentaron además 4conferenciasplenarias:

PL.1 Richard van de Sanden (Dutch Institute for Fundamental Energy Resarch, Holland). “Recent trends in renovawable energy driven chemistry for energy conversion and storage: plasma chemistry as the special case”

PL.2 Jean-Luc Dubois (Arkema, France). “What 3D printing/Additive manufacturing can deliver to chemical industries”.

PL.3 Asier Unciti-Broceta (University of Edinburgh, UK). “Biocompatible catalytic devices and bioorthogonally-activated prodrugs to mediate local chemotheraphy”

PL.4 Dionisos Vlachos (University of Delaware, USA). “Computation-driven catalyst Discovery”.

Y 4 presentaciones magistrales:

K.1 Mechanochemical catalysts design and applications. Rafael Luque (Universidad de Córdoba, España).

K.2 Structured reactors under incuctive heating. Evgeny Rebrov (University of Warwick, UK).

K.3 Spatially structured catalysts and reactors for the transformation of CO2 to useful chemicals. Jorge Gascón (KAUST Catalysis Center, Saudi Arabia).

K.4 Direct heating of heterogeneous catalysts by microwaves: Minimizing unwanted gas phase chemistry. Jose Luis Hueso (Universidad de Zaragoza, España).

La organización de esta conferencia se inspiró en las tendencias observadas en el campo de la catálisis heterogénea en los últimos años. Las investigaciones van más allá de las aplicaciones tradicionales en reactores industriales y se expanden a nuevas áreas, como la salud, el medioambiente o la energía. Los catalizadores emergentes operan en entornos no convencionales, como células vivas, líquidos iónicos o fluidos supercríticos. Además, se exploran métodos no convencionales para la activación selectiva del catalizador, como microondas, ultrasonidos o campos magnéticos, reemplazando el calentamiento tradicional de reactores basado en la quema de combustibles fósiles.

La catálisis no convencional define un campo de investigación en el que las colaboraciones interdisciplinares entre la catálisis clásica, la ingeniería química y de materiales, la física, la tecnología energética, la biología o la medicina desempeñan un papel central. El objetivo de esta conferencia fue reunir a representantes de esas disciplinas y proporcionar información sobre los últimos desarrollos realizados. La conferencia cubrió una amplia selección de temas, desde métodos de síntesis de catalizadores no convencionales, formas novedosas de activar catalizadores, catálisis en entornos no convencionales o el diseño de reactores adecuados para nuevas formas de inducir reacciones químicas. El Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC) contribuyó con 5 comunicaciones tipo poster y 3 comunicaciones orales versadas sobre la síntesis de nanotubos de titania, las ventajas e inconvenientes de la co-inmovilización de enzimas y los protocolos de inmovilización para la obtención de fosfolípidos ricos en ácido linoleico conjugado (CLA).

Contacto

Pedro Ávila, Responsable de Grupo ECI-CSIC del Programa ACES2030-CM. pavila@icp.csic.es. Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía.

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Celebrado el evento final del proyecto PICASO sobre combustibles alternativos para el transporte

Alrededor de 50 asistentes procedentes de la Administración del Estado, empresas, centros de investigación, universidades y asociaciones se congregaron en el Auditorio del Instituto IMDEA Energía el pasado día 26 de noviembre con motivo del evento final del proyecto nacional PICASO (ENE 2015-74607-JIN AEI/FEDER/UE) “Planificación de la implementación de combustibles alternativos en el sector energético español para un transporte sostenible”. La jornada comenzó con la exposición de las implicaciones del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima, PNIEC, en el sector transporte por parte de la ponente del Ministerio de Transición Ecológica. Los investigadores del proyecto, Diego Iribarren, Diego García-Gusano y Zaira Navas-Anguita, expusieron la metodología del trabajo y los resultados del mismo. El evento finalizó con una mesa redonda con la participación de Repsol, Nedgia, el Centro Nacional del Hidrógeno y Transport & Environment en la que se generó un animado debate sobre los distintos combustibles alternativos y su papel hacia un sistema energético sostenible al que se unieron los asistentes, procedentes de entidades como Iberdrola, Enagás, Cepsa, GasLicuado, Tecnalia, otras empresas, consultoras, asociaciones de consumidores y diversas universidades españolas y extranjeras.

Contacto: diego.iribarren@imdea.org

Actividad investigadora apoyada por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad  (ENE 2015-74607-JIN AEI/FEDER/UE).

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Las enzimas como fuente de inspiración para el desarrollo de nuevos fotocatalizadores sostenibles.

Recientemente se ha reportado un fotocatalizador híbrido biológico/inorgánico para la reducción de dióxido de carbono a ácido fórmico en medio acuoso.

Autores: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

Las enzimas son los catalizadores biológicos presentes en todas las formas de vida y que permiten que tengan lugar con la velocidad adecuada y de forma específica las reacciones necesarias para el metabolismo. Las enzimas están conformadas por una estructura proteica y un centro activo donde reside su función catalítica. Millones de años de evolución han asegurado que sean catalizadores muy eficientes y selectivos en condiciones fisiológicas, es decir en medio acuoso, temperatura y presión ambientales.

Teniendo en cuenta sus magníficas propiedades catalíticas, desde hace varias décadas se ha estudiado la aplicación de las enzimas para diferentes procesos industriales, lo cual se conoce como biocatálisis. Son numerosos los casos de éxito en los cuales diferentes tipos de enzimas se utilizan industrialmente como aditivos en detergentes para degradación de grasas y proteínas, catalizadores en síntesis de fármacos o aditivos alimentarios, blanqueo de textiles, etc.

Un tipo particular de enzimas son las que se conocen como metaloenzimas redox, ya que catalizan reacciones de oxidación/reducción y contienen en su centro catalítico metales. Lo que hace especialmente interesante a esta clase de enzimas es que son capaces de catalizar de forma específica, con bajo sobrepotencial  y en condiciones suaves reacciones de gran interés en aplicaciones energéticas, como la producción y oxidación de hidrógeno, la reducción de oxígeno, la oxidación del agua, la reducción de dióxido de carbono o la reducción de nitrógeno a amoniaco. Además, catalizan todas estas reacciones conteniendo en su centro activo metales abundantes como el hierro o el cobre, u otros metales no nobles. La naturaleza es sabia y ha podido desarrollar a través de la evolución natural catalizadores que no requieren metales tan escasos como platino, rodio o iridio. Por lo tanto, estas metaloenzimas sirven de modelo para la síntesis de compuestos biomiméticos que copien su estructura y/o función para obtener mejores electrocatalizadores.

En los últimos años se  está estudiando la inmovilización de algunos de estas metaloenzimas redox sobre semiconductores para obtener fotocatalizadores híbridos biológicos/inorgánicos, de modo que combinen la eficiencia de absorción de energía luminosa, preferiblemente en el espectro visible, y separación de cargas del semiconductor excitado con las propiedades catalíticas de la metaloenzima redox. De este modo, en el Instituto de Catálisis del CSIC se ha reportado recientemente  la inmovilización de una hidrogenasa sobre sulfuro de indio como fotocatalizador de la producción de hidrógeno utilizando luz visible. Ahora el grupo del Profesor Reisner de la Universidad de Cambridge ha publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie la inmovilización de la enzima formiato deshidrogenasa sobre nanopartículas de dióxido de titanio modificadas con un compuesto orgánico fotosensible a la luz solar. Este fotocatalizador híbrido es capaz de reducir dióxido de carbono a ácido fórmico con una frecuencia catalítica de 11 moléculas por segundo y por molécula de enzima. Aunque esta velocidad de fotoreducción de díoxido es todavía limitada e inadecuada para aplicaciones a gran escala, supone una fuente de inspiración para nuevos métodos de revalorización del dióxido de carbono, principal gas responsable del efecto invernadero en la atmósfera terrestre.

Bibliografía

  1. M. Miller, W. E. Robinson, A. R. Oliveira, N. Heidary, N. Kornienko, J. Warnan, I. A. C. Pereira, E. Reisner. Interfacing formate-dehydrogenase with metal oxides for the reversible electrocatalysis and solar-driven reduction of carbon dioxide. Angewandte Chemie 58 (2019) 4601-4605.
  2. C. Tapia, S. Zacarias, I. A. C. Pereira, J. C. Conesa, A. L. De Lacey, M. Pita. In situ determination of photobioproduction of H2 by In2S3-[NiFeSe] hydrogenase from Desulfovibrio vulgaris Hildenborough using only visible light. ACS Catalysis 6 (2016) 5691-5698.

Contacto

 

Antonio López de Lacey, Responsable de Grupo FCF del Programa FotoArt-CM. – alopez@icp.csic.es. Coordina FotoArt-CM Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía.

 

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Tratamiento de metano con tecnología de metales líquidos

Autores: Ángel Martínez Rodríguez,  Alberto Abánades Velasco

Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

RESUMEN

Se están desarrollando nuevos reactores para procesos a alta temperatura basados en el uso de metales líquidos, los cuales son capaces de permanecer en estado líquido con una muy baja presión de vapor hasta más allá de los 1500 ºC. Esas características termofísicas, junto con su alta conductividad/difusividad térmica, los hace muy adecuados para el potencial tratamiento de hidrocarburos. Se busca realizar un avance tecnológico significativo para lograr el desarrollo de un reactor de burbujeo en metal líquido para el tratamiento de gas natural y biogás crudo (una mezcla de CH4 y CO2) empleando energía solar concentrada, pudiendo ser viable a gran escala. El proyecto tiene como objetivo verificar experimentalmente reactores de metal líquido para llevar a cabo la pirólisis y el reformado seco de metano, para obtener gas de síntesis (CO y H2) y partículas sólidas de carbono. Este tipo de reactores son inéditos, pero pueden ser claves en el futuro para el desarrollo de reacciones a muy alta temperatura, incluida la reducción de CO2, lo que implica: 1) Sistemas de aporte de energía térmica  basado en energía solar concentrada ; 2) un sistema de aporte de reactantes, fundamentalmente hidrocarburos y CO2,  3) un mecanismo de extracción continua de partículas, que en los casos que se pretende realizar serían de carbono, y 4) caracterización físico-química del carbono producido, y la evaluación de aplicaciones del proceso, para estimar su viabilidad. En caso de comprobar la operación con éxito del reactor propuesto a escala experimental (aprox. 1 kW-H2), y la viabilidad de las aplicaciones, se estará en condiciones de abordar etapas de desarrollo industrial.

ABSTRACT

New reactors are being developed for high temperature processes based on the use of liquid metals, which are able to remain in a liquid state with a very low vapor pressure up to more than 1500 ° C. These thermophysical characteristics, together with their high conductivity / thermal diffusivity, make them very suitable for the potential treatment of hydrocarbons. A significant technological advance is sought to achieve the development of a liquid metal bubbling reactor for the treatment of natural gas and raw biogas (a mixture of CH4 and CO2) using concentrated solar energy, and it can be viable on a large scale. The project aims to experimentally verify liquid metal reactors to carry out dry methane reforming, to obtain synthesis gas (CO and H2) and solid carbon particles. These types of reactors are unpublished, but they can be key in the future for the development of reactions at very high temperature. The idea is to develop systems to carry out the treatment of hydrocarbons, including the reduction of CO2, which implies: 1) Thermal energy input systems based on concentrated solar energy; 2) a system for the supply of reactants, mainly hydrocarbons and CO2, 3) a mechanism for continuous extraction of particles, which in the cases that are intended to be carbon, and 4) physical-chemical characterization of the carbon produced, and the evaluation of process applications, to estimate its viability. If the operation of the proposed reactor is tested successfully on an experimental scale (approx. 1 kW-H2), and the viability of the applications, it will be able to address stages of industrial development.

Artículo de difusión

El desarrollo de nuevos procesos tecnológicos es imprescindible para lograr la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en procesos energéticos clave que aumenten la sostenibilidad de nuestra Sociedad y ayuden a cumplir con muchos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). En particular, la integración del tratamiento de materiales en una economía circular necesita nuevos procesos innovadores. Los ODS 7 (energía asequible y no contaminante), y ODS 13 (acción por el clima) se conectan directamente con el desarrollo de nuevos procesos químicos innovadores. Entre esos procesos está, evidentemente, el tratamiento de hidrocarburos y de reducción de CO2, en este caso para producir vectores fundamentales para la transición energética, como H2 y gas de síntesis, con la captura efectiva de C en forma sólida, o/y la reducción de CO2, que permita cerrar los ciclos antropogénicos de carbono.

La descomposición del metano (que podría ser extrapolable a otros hidrocarburos gaseosos), también llamada pirólisis de metano, consiste en el desarrollo de la reacción química (1). Este proceso permite producir hidrógeno sin emisiones, y la generación de Carbono de alta calidad para aplicaciones aún poco desarrolladas, como la manufactura de grafeno, óxido de grafeno, o fibras de carbono a gran escala.

Al emplear biogás crudo como corriente de alimentación, tiene lugar la aparición de otra serie de reacciones derivadas del proceso de reformado de CO2-CH4, siendo la reacción principal el reformado seco de metano (2):

Descomposición metano:            CH4 → C + 2H2                       ΔH=74,5 kJ/mol-H2         (1)

Reformado seco de metano:   CH4 + CO2 → 2CO + 2H2           ΔH=246,9 kJ/mol-H2                   (2)

La reacción de reformado seco permite el aprovechamiento de CO2 capturado, y su integración en la economía circular mediante su reducción química directa, así como su aplicación al tratamiento de gases crudos procedentes de la generación de biogás, que forman mezclas de CO2/CH4, susceptibles de ser transformadas por la reacción (2) en gas de síntesis, hidrogeno y carbono. En la Figura 1 se muestra una descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO2, y como la pirólisis de metano puede constituir una técnica de captura de carbono, para su integración en la economía circular.

Figura 1: Descripción general de las opciones de utilización de gas natural en función de las emisiones de CO2

El desarrollo de reactores de alta temperatura se hace imprescindible para lograr esos objetivos, en cuanto los procesos de reducción de CO2, o de pirólisis de hidrocarburos requieren altas temperaturas que permitan un grado alto de avance de la reacción, y reduzcan el uso de catalizadores, que en muchos casos implican una generación adicional de residuos y complejidad. En resumen, hay una cantidad bastante importante de datos relacionados con la descomposición de metano en lo que se refiere a niveles de conversión teóricos de la reacción, y al comportamiento de potenciales catalizadores, con temperatura de operación como las descritas en la Figura 2.

Figura 2: Rangos de temperatura de aplicación de técnicas de descomposición térmica de metano.

La viabilidad técnico-económica y ambiental de muchos de esos procesos se puede mejorar con el desarrollo de reactores de alta temperatura con metales líquidos. Las buenas propiedades termo-físicas de los metales líquidos pueden abrir una línea muy prometedora para el diseño de reactores de muy alta temperatura. La capacidad de transferencia térmica (difusividad, conductividad, …) es una de las claves para poder desarrollar reactores a gran escala, homogeneizando las condiciones internas del reactor, tal y como se necesitaría para aplicaciones industriales. Por otro lado, la alta conductividad térmica de los metales líquidos da lugar a una buena transmisión de energía a los enlaces moleculares, reduciendo la necesidad de catalizadores.

Los antecedentes de este proyecto se encuentran en los trabajos previos que se han desarrollado para la prueba de concepto de un reactor de metal líquido para pirólisis de metano (Geißler et al., 2016) (Abánades et al., 2016), y que ha sido reconocido como una tecnología de futuro obteniendo premios de innovación como el 2º puesto de la competición de ideas de EIT Raw Materials, o el premio de R&D de la Industria alemana del gas.

En particular, el desarrollo que se propone tiene una relación directa con la “Acción sobre cambio climático y eficiencia en la utilización de recursos y materias primas”, al tratarse de una tecnología para aprovechar residuos orgánicos, productos del tratamiento de biomasa y materias primas fósiles sin emisiones de gases de efecto invernadero en un escenario de captura de CO2. Cabe destacar que estos recursos, además de la obtención de carbono metalúrgico y gas de síntesis, produce hidrógeno, como una forma de “energía segura sostenible y limpia”. Por otro lado, el empleo de fuentes de energía renovables, como el biogás, es un paso adelante en la obtención de energía, junto con su hibridación con energía solar concentrada. Ambos objetivos están relacionados, siendo este proyecto un desarrollo tecnológico innovador para el uso de recursos energéticos de forma segura y sostenible con implicaciones claras como herramienta para combatir el cambio climático.

REFERENCIAS

Abánades, A., Rathnam, R. K., Geißler, T., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., & Stückrad, S. (2016). Development of methane decarbonisation based on liquid metal technology for CO2-free production of hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 41(19), 8159-8167.

Davis, S. J., Caldeira, K., & Matthews, H. D. (2010). Future CO2 emissions and climate change from existing energy infrastructure. Science, 238(5997), 1330-1333.

Geißler, T., Abánades, A., Heinzel, A., Mehravaran, K., Müller, G., Rathnam, R. K., & Weisenburger, A. (2016). Hydrogen production via methane pyrolysis in a liquid metal bubble column reactor with a packed bed. Chemical Engineering Journa, 299, 192-200.

Contacto

Javier Muñoz Antón, Responsable en funciones  de Grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM. – jamuñoz@etsii.upm.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Instituto IMDEA Energía. 

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Un novedoso sensor de agua y humedad impreso en 3D de bajo coste y flexible es capaz de detectar las más pequeñas cantidades de agua

Autor: José I. Martínez

En las más diversas áreas, desde el campo de la salud, la calidad alimentaria, la detección ambiental, la industria textil, la agricultura, así como en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas e industriales, existe una creciente demanda de dispositivos sensores capaces de manifestar una respuesta inmediata mediante cambios simples y rápidos en presencia de moléculas específicas. Entre ellos, los sensores de agua y humedad se encuentran entre los más comúnmente empleados, siendo capaces de controlar y monitorizar la cantidad de agua presente en un determinado entorno o material. Por ejemplo, si un determinado aceite lubricante tiene una gran concentración de agua la lubricación de maquinaria o instrumentación pudiera no ser la más adecuada. De la misma forma, si hay demasiada agua en un combustible, éste  pudiera no combustionar de la manera más eficiente.

En una ambiciosa colaboración interdisciplinar entre científicos pertenecientes a la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y al Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), se ha desarrollado un novedoso sensor de bajo coste y muy flexible, fabricado mediante un material plástico no-tóxico basado en un polímero de coordinación unidimensional de cobre decorado con moléculas de timina, capaz de detectar cantidades de agua extremadamente pequeñas en aire o en solventes orgánicos. El polímero de coordinación de cobre, que constituye la parte funcional de este nuevo sensor, presenta una molécula de agua enlazada a cada átomo de cobre central.

La excelente capacidad sensora de este material tiene su origen en una transformación estructural debido a la pérdida de moléculas de agua del polímero de coordinación – observada mediante el uso de rayos-X de alta energía – bien con la temperatura (a partir de 60º) o mediante la competición con moléculas de solvente, lo que induce, de manera simultánea, un cambio significativo en su color desde un color púrpura a un color azul en condiciones de humedad. Una gran ventaja de este material es que este cambio estructural se puede revertir, y con ello su color, mediante su exposición al aire, poniéndolo en contacto con agua, o en un solvente orgánico con pequeñas trazas de agua.

Para la preparación del sensor el polímero de coordinación se mezcla con una tinta polimérica para impresión 3D químicamente inocua. Se han  impreso sensores con distintas formas y tamaños, los cuales fueron testados con una gran variedad de solventes conteniendo distintas cantidades de agua. Estos estudios demostraron que los sensores impresos resultaban incluso más sensibles a la presencia de agua que el compuesto polimérico de coordinación por sí solo gracias a su naturaleza porosa.

En distintos solventes, los sensores impresos pueden detectar un rango de entre 0.3% y 4% de agua en menos de 2 minutos. En aire pueden incluso detectar una humedad relativa del 7%. Cuando se secan, bien en un solvente libre de agua o mediante calentamiento, el material revierte su color azul de nuevo en púrpura. Un análisis exhaustivo del material muestra que es estable después de muchos ciclos de calentamiento, y que los compuestos de cobre se distribuyen de manera homogénea dentro del material de impresión. Estos sensores son estables en aire hasta 1 año y en entornos biológicos con pHs de entre 5 y 7, lo que sugiere un alto potencial para su aplicación como robustos sensores colorimétricos.

El resultado de esta investigación, presentado en la prestigiosa revista Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808424), abre la puerta al desarrollo de una nueva familia de materiales sensores impresos en 3D basada en la integración de polímeros de coordinación multifuncionales con polímeros orgánicos.

 

Fig. Distintas versiones de los dispositivos sensores impresos en 3D. Cuando se secan mediante calentamiento o en un solvente libre de agua el material sensor cambia su color a púrpura.

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Hacia un ciclo sostenible de carbono

Autor: Juan José Vilatela García. Instituto IMDEA Materiales

El eje conductor de la ciencia de materiales de hoy en día se debe centrar prioritariamente en mitigar directa o indirectamente las emisiones de gases invernadero de la actividad humana. Estudios recientes nos dan una guía para navegar a través de los enormemente complejos retos tecnológicos asociados, poniendo el foco en transformar el transporte y la industria, contribuyentes de cerca del 62% de emisiones de CO2. Estamos urgidos también a acelerar el paso. A pesar de los loables objetivos de sostenibilidad liderados por Europa hacia el 2050, las proyecciones muestran una realidad alarmante; la producción de acero y aluminio, los materiales con mayores emisiones asociadas, se duplicarán en 30 años [1].

Una estrategia prometedora es el reemplazo de metales altamente emisores por nuevos materiales de carbono, más ligeros, evidentemente, pero sobre todo, fabricados mediante procesos de menores emisiones. El punto de partida es usar procesos para transformar catalíticamente una fuente de carbono, por ejemplo gas natural, en materiales estructurales y conductores eléctricos. De cara al objetivo de reducir emisiones mediante el reemplazo de metales, la reacción simplificada asociada nos permite analizar las distintas áreas a desarrollar

La energía suministrada al proceso contiene las mayores contribuciones a las emisiones y es una variable a minimizar. Para tener una métrica de comparación se puede considerar, por ejemplo, la huella de 10kg CO2/kg en la producción de aluminio [2]. En comparación, las emisiones en la fabricación de negro de humo (en inglés carbon black, CB) a partir de gas natural, son cercanas al 0.8 CO2/kg [3]. La perspectiva energética es aún más halagüeña si en el proceso se recupera el H2 y se utiliza como combustible. Visto desde otra perspectiva, los elementos estructurales y conductores del futuro se pueden fabricar como subproductos durante la generación de hidrógeno; una idea en la que ya apuesta el sector público-privado en EEUU [4], por ejemplo.

La utilidad práctica del proceso descrito por esta sencilla ecuación depende principalmente de las características del carbono resultante, es decir, de cuánto pueden competir con metales tradicionales. Y es aquí donde los detalles importan y por lo tanto donde la actividad científica es intensa. La capacidad de fabricar nanocarbonos y ensamblarlos en materiales macroscópicos como cables, fibras, telas, con propiedades superiores a las del acero y el aluminio, nos abre por primera vez en la historia, la puerta a considerar seriamente la posibilidad de usar estos procesos transformativos a gran escala como vehículos de reducción de emisiones. Desde distintos ángulos, diversas iniciativas a nivel mundial persiguen este objetivo basado en nanocarbonos: el desarrollo de nuevos cables eléctricos en Japón, la nueva generación de materiales compuestos estructurales en Corea impulsada por LG Chemical, el centro para la transformación de carbono en Houston, EEUU, impulsado por la industria petroquímica [5], y la producción masiva de nanotubos de carbono presentada por el mismo Putin en la cumbre de París de las Naciones Unidas [6].

Esquema  de la fabricación de fibras estructurales y conductoras a partir de la síntesis de nanotubos de carbono (CNT) mediante descomposición catalítica de una fuente de carbón (izquierda). Ejemplos de imágenes de la fibra durante su fabricación e hilado continuo y su estructura de CNTs (derecha).

Con esta perspectiva investigadores de IMDEA Materiales, IMDEA Energía e IMDEA Nanociencia llevamos casi una década trabajando conjuntamente en la investigación de nanotubos de carbono, centrados en tres áreas principales: entender y controlar mejor la reacción de síntesis, ensamblar nanotubos de maneras que potencien sus propiedades axiales, y su integración en aplicaciones principalmente en aligeramiento y gestión energética en transporte. Recientemente, realizamos estudios sobre la ruta térmica de descomposición de distintos precursores de carbono in-situ durante la fabricación de fibras de CNTs [7]. Esto permitió encontrar nuevas herramientas para aumentar el rendimiento del proceso y las propiedades del material resultante a través de la elección de precursores de carbono. Actualmente, nuestros esfuerzos buscan continuar dando pasos en la mejora de propiedades de materiales a base de nanocarbonos a través del control molecular y del ensamblado, así como en el desarrollo de herramientas analíticas para evaluar el impacto de estas tecnologías desde una perspectiva de sostenibilidad global.

[1] Sustainable Materials Without the Hot Air: Making Buildings, Vehicles and Products Efficiently and with Less New Material. Julian M. Allwood, Jonathan M. Cullen, UIT Cambridge Ltd, 2015.

[2] United Nations: Climate Change and Transnational Corporations – Analysis and Trends. U. N. Centre on Transnational Corporations, Environment Series 2, 1992, ST/CTC/112, ISBN 92‐1‐104385‐9, Chapter 7 “Production of Energy Intensive Metals”.

[3] http://www.remanufacturing.org.uk/pdf/story/1p158.pdf.

[4] R&D Opportunities for Development of Natural Gas Conversion Technologies for Co-Production of Hydrogen and  Value-Added Solid Carbon Products, Lawrence Livermore Laboratory, 2017

[5] https://news.rice.edu/2019/01/28/turning-natural-gas-into-carbon-nanotubes-cuts-energy-use-carbon-dioxide-emissions/.

[6] https://www.climatechangenews.com/2016/01/06/vladimir-putins-global-warming-fix-carbon-nanotubes/.

[7] X. Rodiles et al, Nature Scientific Reports, (2019) 9:9239.

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Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales, y miembro del Programa FotoArt-CM.

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De la cocina al laboratorio: el uso de la sal para desacoplar grafeno de sustratos metálicos.

Autores: Irene Palacio y José Ángel Martín Gago. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

En el 2004 el grafeno irrumpe en el panorama científico con la promesa de ser uno de los principales materiales del futuro tecnológico debido a sus excelentes propiedades tanto electrónicas como mecánicas, ópticas…. Es por ello, que desde entonces una gran parte de la comunidad científica ha realizado un gran esfuerzo en el estudio y desarrollo de este material y sus posibles aplicaciones. De hecho, la Comunidad Europea  financia con 1 Billón de euros un proyecto coordinado con diferentes laboratorios europeos sobre grafeno conocido como Graphene Flagship desde el año 2013 y con duración hasta el 2023.

La síntesis de grafeno sobre metales mediante diversas técnicas está ya bastante optimizada, sin embargo, la fuerte interacción entre el grafeno y el sustrato es el principal punto problemático a la hora de la aplicación directa de esté material en la electrónica. Para solventar este problema, diversas soluciones han sido propuestas: desde la síntesis directa en sustratos aislantes, a la transferencia de la lámina de grafeno a otros sustratos más relevantes o el desacoplo de grafeno del sustrato. Es en ésta última propuesta donde el  grupo ESISNA del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) en colaboración con la línea CIRCE del Sincrotrón ALBA de Barcelona y el Centro de Física de Materiales en San Sebastián,  ha desarrollado una nueva metodología para el desacoplo de grafeno de superficies metálicas mediante la fotodisociación de sal (NaCl).

Concretamente, el trabajo, recientemente publicado en la revista 2D Materials, demuestra cómo desacoplar el grafeno sintetizado sobre un metal de una forma sencilla y reversible. La idea es evaporar una lámina delgada de sal sobre la muestra de grafeno para luego irradiar la muestra con fotones altamente energéticos. Éste haz de fotones, disocia las moléculas de NaCl, y mientras que los iones de cloro se desorben, los de sodio se intercalan a través del grafeno desacoplándolo del sustrato. Además de desacoplarlo, logran dopar el grafeno (tipo n), lo que es una ventaja para ciertas aplicaciones. El proceso es totalmente reversible, pudiéndose recuperar la muestra original y sin dañar de grafeno mediante un calentamiento.

Esta nueva metodología tiene un gran potencial tecnológico, ya que es simple y eficaz  y se sirve de un elemento, la sal, abundante y barato.

Esquema  y patrones de difracción demostrando el desacoplo de grafeno de una superficie metálica mediante la fotodisociación de sal, así como la reversibilidad del proceso.

Publicación: I.  Palacio et al.  2D Materials, 6, 025021 (2019)

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Jose Ángel Martín Gago, Responsable de Grupo ESSISNA del Programa FotoArt-CM. – gago@icmm.csic.es

Coordina FotoArt-CM Víctor A. de la Peña O´Shea el Instituto IMDEA Energía.

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Consumo eléctrico asociado a la implantación del vehículo eléctrico en España

Autores: Zaira Navas, Diego García y Diego Iribarren-Instituto IMDEA Energía

Desde hace algunos años, el sector del transporte está experimentando un gran cambio debido a la entrada de vehículos propulsados por combustibles alternativos menos contaminantes que los convencionales. Un ejemplo de ello es el fomento del vehículo eléctrico como posible sustituto de los vehículos de diésel y gasolina. En este sentido, es interesante analizar el consumo de los vehículos eléctricos y la forma en la que afecta al sistema eléctrico nacional. Para saber qué consumo eléctrico supone la utilización de este tipo de vehículos, es necesario tener en cuenta los consumos y kilometrajes específicos en función del servicio al que estén destinados (uso público o privado, transporte de pasajeros o de mercancías, etc.). Estos valores se exponen en la tabla adjunta:

 

En 2015 se registraron en España 15.136 vehículos eléctricos [16]. Asumiendo los parámetros especificados en la tabla superior, se obtiene que el consumo eléctrico asociado fue de 21,37 GWh en 2015. Este extra de demanda eléctrica apenas supone un 0,008% sobre la demanda nacional de electricidad.

Se estima que la flota de este tipo de vehículos va a aumentar considerablemente en los próximos años. Si en 2030 se consiguiese alcanzar la cifra de 3.000.000 de vehículos eléctricos en España, y asumiendo una distribución por categoría de acuerdo a [17], el extra de consumo sería de aproximadamente 2.697 GWh. Aunque esta cifra puede parecer muy elevada en comparación con la de 2015, dicha demanda tan solo supondría un 0,86% del total de electricidad.

Por tanto, se puede concluir que el consumo eléctrico adicional provocado por la implantación de vehículos eléctricos sería asumible desde el punto de vista de la generación. Aun así, la entrada de esta flota de vehículos obliga a que se continúe investigando otros aspectos técnicos y de gestión de la red que garanticen el buen funcionamiento del sistema y eviten problemas de abastecimiento y sobrecargas en horas pico. En otras palabras, será necesario un esfuerzo para planificar la demanda de una forma inteligente, por ejemplo, incentivando la carga nocturna.

Referencias

[1]       https://www.xataka.com/vehiculos/las-motos-electricas-zero-llegan-a-los-325-kilometros-de-autonomia

[2]       ecoTECHNOLOGY forVehicles, “Vectrix maxi-scooter personal electric vehicle test results report”, octubre 2009.

[3]       http://www.zeromotorcycles.com/es/range

[4]       https://pushevs.com/2016/11/23/electric-cars-range-efficiency-comparison/

[5]       INL, “Electric cars: Analysis results.” 2014.

[6]       https://www.afdc.energy.gov/fuels/ethanol_blends.html

[7]       https://www.nissan.es/vehiculos/nuevos-vehiculos/e-nv200.html

[8]       https://www.xataka.com/automovil/guia-de-compras-de-coches-electricos-2017-43-modelos-que-estan-o-estaran-en-el-mercado

[9]       NREL, “Smith Newton Vehicle Performance Evaluation – Cumulative Time of Day When Driving”, 2014.

[10]     https://www.daimler.com/products/trucks/mercedes-benz/mercedes-benz-electric-truck.html

[11]     https://www.quadis.es/articulos/fuso-ecanter-el-primer-camion-ligero-electrico/906869

[12]     https://www.diariomotor.com/noticia/record-proterra-autobus-electrico/

[13]     http://forococheselectricos.com/2017/06/hyundai-presenta-autobus-electrico-autonomia.html

[14]     Ministerio de Fomento, “Observatorio de costes del transporte”, 2013.

[15]     http://www.irizar.com/alcanzado-el-gran-reto-el-autobus-urbano-100-electric-del-grupo-irizar-es-ya-una-realidad/

[16]     Ministerio de Industria, “Marco de Acción Nacional de Energías Alternativas en el transporte”, 2016.

[17]     Ministerio de Fomento, “Observatorio del Transporte y la Logística en España – informe anual 2016”, 2017.

 

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SIMBIOCAT IV. Catálisis para el medio ambiente: eliminación de contaminantes y “química verde”

Autora: Raquel Portela-ICP-CSIC

El Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP), perteneciente al CSIC, viene organizando en los últimos años las jornadas SimbioCAT – Simbiosis entre la Academia y la Industria, “de la investigación a la aplicación industrial”, orientadas a empresas e investigadores con proyectos afines, en colaboración con el Parque Científico de Madrid. El objetivo es que las empresas del sector conozcan las líneas de I+D y las actividades que se realizan en el instituto para fomentar la colaboración. Para ello, durante el encuentro se habilitan salas de reunión por si surgieran propuestas de trabajo que debatir entre los investigadores y los asistentes. La primera jornada de estas características, SimbioCAT I, se realizó en 2011 y estuvo dedicada a “Biocombustibles, bio-refinerias y valorización de los subproductos”, mientras que SimbioCAT II, en 2013, se centró en “Biocatálisis, transformaciones enzimáticas y biomateriales”. El lema de SimbioCAT III , realizado en 2015, fue “Aplicaciones de la catálisis en el área de la energía”.

El próximo jueves 18 de enero de 2018 se celebrará en las instalaciones del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica la cuarta edición de estas jornadas. El lema de SimbioCAT IV es “Catálisis para el medio ambiente: eliminación de contaminantes y química verde”.  La asistencia es gratuita, previa inscripción; la jornada va dirigida gestores de residuos, depuradoras de aguas, empresas con necesidad de eliminar contaminantes, industrias químicas que quieran implantar procesos más limpios, organismos con responsabilidad medioambiental, ayuntamientos, etc… En las ponencias se hablará de las últimas tendencias en la eliminación de contaminantes y el diseño de procesos químicos más verdes y al finalizar la jornada habrá un aperitivo con orientado a fomentar el establecimiento de nuevas colaboraciones.

El programa de la jornada es el siguiente:

 9:45 Bienvenida: Dr. Jose Carlos Conesa Cegarra, Director del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica.

10:00 Ponencias de investigadores del ICP: eliminación de contaminantes

Dra. Ana Bahamonde, “Aplicación de la fotocatálisis solar para el control de la contaminación ambiental”.

Dr. Marcos Fernández “Aprovechamiento de luz solar en procesos foto(termo)catalíticos de descontaminación en fase gas y líquida”.

Dr. Pedro Ávila, “Chimeneas que no contaminan”.

Dr. Carlos Márquez, “Diseño de soportes porosos para la inmovilización eficiente de lacasas con aplicación potencial en la eliminación de compuestos fenólicos en aguas residuales”.

Dr. Rufino Navarro, “Eliminación de NOx a baja temperatura en gases de escape procedentes de motores diésel”.

11:15 Café

11:45 Ponencias de investigadores del ICP: eliminación de contaminantes y química verde

Dr. Miguel Bañares “Monitorizando remediación de contaminantes y valorización de productos secundarios”.

Dr. Manuel Sánchez, “Materiales sostenibles MOFs en aplicaciones ambientales: eliminación de contaminantes gaseosos y revalorización de CO2”.

Dr. Enrique Sastre “Producción de hidrocarburos sintéticos por conversión de metanol: una ruta para el reciclado de CO2”.

Dra. Consuelo Álvarez “CO2 como materia prima para la síntesis de productos químicos y combustibles a través de la reducción catalítica a monóxido de carbono con hidrógeno”.

Dr. Miguel Alcalde “Enzimas modificadas genéticamente por evolución dirigida: aplicaciones desde la biorremediación hasta los nuevos procesos químicos “verdes””.

13:00 Ponencia sobre instrumentos financiación a cargo de AYMING

D. Manuel Díez Díaz y D. Samuel Botija “Como hacer más con menos: herramientas para financiar tus Proyectos I+D+i y mejorar su rentabilidad” (Consultora AYMING)

Más información y reservas: Dra. Sara Junco: s.junco@csic.es

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Proceso TriVersa: un paso adelante para optimizar el rendimiento de la biorrefinería lignocelulósica

La biomasa lignocelulósica puede fraccionarse en sus principales componentes para sustituir a los productos químicos derivados del petróleo usados actualmente en la vida diaria. Sin embargo, es necesario obtener un elevado rendimiento de aprovechamiento para que el proceso sea sostenible económica y ambientalmente. En este ámbito, un novedoso proceso de biorrefinería propuesto recientemente por el grupo del profesor J.A. Dumesic, denominado proceso TriVersa, plantea una estrategia integral de conversión de una biomasa tipo (en concreto, el abedul de papel) que permite valorizar hasta un 80% de la materia prima de partida obteniendo productos útiles con salida real en el mercado.

Autor: [Gabriel Morales, Universidad Rey Juan Carlos]

El grupo del Prof. James A. Dumesic, de la Universidad de Wisconsin-Madison, EE.UU., es uno de los grupos punteros a nivel mundial en el ámbito de la catálisis heterogénea aplicada a la producción sostenible de biocombustibles y bioproductos (obtenidos a partir de biomasa vegetal, principalmente de tipo lignocelulósico). Recientemente han desarrollado un proceso de fraccionamiento secuencial que maximiza la conversión de la biomasa lignocelulósica (hasta un 80%) dando lugar a productos comercializables, abriendo de este modo la puerta a un proceso comercial de biorrefinería lignocelulósica económicamente viable. Dicho método de fraccionamiento preserva el valor de los tres componentes primarios (Figura 1): (i) celulosa, que es convertida en pulpa de papel para la producción de fibras y compuestos químicos; (ii) hemicelulosa, que es convertida en furfural (molécula plataforma); y (iii) lignina, que es convertida en productos carbonosos (espuma de carbón, fibra de carbono o ánodos de batería). En global, el proceso permitiría obtener unos ingresos de más de 500 dólares por tonelada seca de biomasa. Adicionalmente, una vez que la tecnología se haya asentado y haya reducido los riesgos iniciales de inversión, puede extenderse fácilmente a otros bioproductos y biocombustibles, tales como azúcares fermentables, bioetanol, biocombustibles avanzados, productos químicos especializados, etc. Esto facilitaría el desarrollo del concepto de biorrefinería lignocelulósica renovable integrada de un modo competitivo con una refinería de petróleo actual.

Figura 1. Proceso TriVersa aplicado a abedul de papel.

La clave del proceso es la eficacia y alto rendimiento del fraccionamiento de la biomasa en sus componentes individuales, preservando el valor de cada una de las fracciones. Este fraccionamiento es posible gracias al uso de γ-valerolactona (GVL), un disolvente renovable y sostenible derivado de la propia biomasa, que ha demostrado propiedades favorables en el procesamiento de la biomasa lignocelulósica. El empleo de GVL como disolvente ofrece ventajas únicas en virtud de sus propiedades fisicoquímicas, y resuelve los problemas típicos asociados al fraccionamiento de este tipo de biomasa, tal como una alimentación en continuo de biomasa (debido a la baja presión de vapor de la GVL), una alta carga de biomasa (debido a la elevada solubilidad de la lignina y los azúcares en mezclas GVL/agua), un fraccionamiento limpio de los componentes (debido al uso de condiciones de proceso moderadas), y la capacidad de procesar eficazmente las corrientes con disolvente, lo que minimiza el uso de operaciones de separación que incrementan los costes. Además, la GVL puede producirse a partir de biomasa en el mismo proceso para compensar las pérdidas, haciendo que el proceso sea de ciclo cerrado. La Figura 2 muestra un diagrama de flujo de la estrategia de biorrefinería propuesta para integrar las corrientes de productos de la biomasa usando GVL como disolvente.

Figura 2. Diagrama de flujo del proceso TriVersa.

 Según el proceso TriVersa, 1000 kg de biomasa seca pueden convertirse en 402 kg de celulosa, 156 kg de precursor de lignina para espuma de carbono de alta pureza y 138 kg de furfural (Figura 1). Estos rendimientos corresponden a la conversión de prácticamente un 70% de la masa inicial y >75% del contenido en carbono en productos de valor añadido (Figura 3). El rendimiento final de celulosa tras el tratamiento de blanqueo es similar a otras tecnologías convencionales (como el proceso Kraft o el de sulfitos). La fácil separación de la lignina y la hemicelulosa usando como disolvente GVL da lugar a una celulosa con una calidad de pasta de disolución. Las propiedades de esta celulosa (con un contenido de hexosas >96%, viscosidad CED de 5 a 15 cP, número Kappa <20) son similares a las de otras pulpas de disolución comerciales, lo que indica que este material es adecuado para la producción comercial de textiles (p.ej., rayón) y otros derivados de celulosa de valor añadido. Por otra parte, la cantidad de biomasa convertida aprovechada puede aumentar hasta el 80 wt% si se recuperan los subproductos ácidos: ácido acético (66 kg por tonelada de biomasa seca), ácido fórmico (27 kg) y ácido levulínico/HMF (10 kg). Considerando el proceso global, los rendimientos de valorización son significativamente más altos que los obtenidos con otras tecnologías de biorrefinería, como la producción de etanol celulósico (228 kg de etanol por tonelada, 22,8 wt%) o la operación de un molino de papel típico (de 400 a 500 kg por tonelada de biomasa), y similares a los obtenidos en procesos que se quedan en productos intermedios, tales como azúcares.

 

 

Figura 3. Diagrama de Sankey del proceso integrado.

El principal reto de este proceso es controlar las pérdidas de disolvente. Aunque la GVL es estable en las condiciones de reacción y es de esperar que se produzcan pérdidas mínimas de disolvente por degradación o interacciones con moléculas derivadas de la biomasa, el trabajo experimental desarrollado por el grupo de Dumesic ha identificado otras pérdidas de disolvente en la salida de productos y en las etapas de lavado y procesado. En este sentido, se puede recuperar una cantidad significativa de GVL lavando la lignina con agua. Aunque esta etapa requiere energía adicional para recuperar la GVL, el coste del tratamiento del agua residual es reducido. En este escenario, las pérdidas de GVL se pueden reducir a tan solo 20 kg por tonelada de biomasa, o menos del 3% de los productos finales. La cantidad de GVL de reposición necesaria puede reducirse si tanto el ácido levulínico como el hidroximetilfurfural (HMF) producidos en el proceso (unos 10 kg por tonelada de biomasa) son convertidos a GVL por hidrogenación.

 Referencia:

Science Advances 2017, Vol. 3, no. 5, e1603301.

Increasing the revenue from lignocellulosic biomass: Maximizing feedstock utilization

David Martin Alonso, Sikander H. Hakim, Shengfei Zhou, Wangyun Won, Omid Hosseinaei, Jingming Tao, Valerie Garcia-Negron, Ali Hussain Motagamwala, Max A. Mellmer, Kefeng Huang, Carl J. Houtman, Nicole Labbé, David P. Harper, Christos T. Maravelias, Troy Runge, James A. Dumesic 

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