Energía y Sostenibilidad

Un equipo de investigadores del Instituto de Cerámica y Vidrio, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y de la empresa de base tecnológica Encapsulae han patentado el primer aditivo para envases de contacto alimentario con capacidad de matar la Listeria monocytogenes, la bacteria que causa la listeriosis.

La listeriosis es una infección muy grave debida a la bacteria Listeria monocytogenes. Tiene poca morbilidad (se dan pocos casos de infección), pero muy alta mortalidad, un 30%, que, en el caso de grupos sensibles, como ancianos y fetos, se eleva hasta un 70%. Las listerias son bacterias muy resistentes a diversas condiciones, como la acidez y las bajas temperaturas, e incluso tienen capacidad de crecimiento a temperaturas de refrigeración entre 2°C y 4°C. Dicha resistencia hace que esté ampliamente distribuida en el medio agrario (suelos, plantas, forrajes, materia fecal, aguas residuales y agua). La principal ruta de transmisión para el ser humano es el consumo de alimentos contaminados, como por ejemplo productos procesados listos para el consumo tales como salchichas cocidas o patés, pescados ahumados, productos lácteos elaborados con leche cruda y ensaladas preparadas. Muchos de los alimentos listos para el consumo incluyen en su proceso de producción una fase que elimina la listeria, como la cocción o el horneado, pero se pueden contaminar en el envasado final o en la manipulación durante la comercialización, como por ejemplo en un loncheado. En España, durante la crisis de la carne mechada en 2019, ha habido en un solo brote 216 casos, con 3 muertes y 7 abortos, siendo uno de los más importantes del mundo de la última década, según el  Colegio Oficial de Veterinarios de Madrid (COLVEMA). Durante los últimos años, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (European Food Safety Authority, EFSA) reportó unos 2.500 casos anuales de listeriosis en la Unión Europea, con 227 muertes. Y es previsible que el número de infecciones y brotes detectados de esta enfermedad vaya en aumento en el futuro, no tanto porque aumente el peligro, sino por la mejora de la sensibilidad y rapidez de las técnicas de detección y caracterización del patógeno, de modo que no se debe bajar la guardia en la vigilancia de los alimentos.

El aditivo desarrollado reduce de forma drástica la población de estas bacterias. En los ensayos in vitro se ha demostrado una alta actividad, pasando de 100.000 unidades formadoras de colonias a cero en 24 horas. “Se trata de un proceso disruptivo, donde hemos modificando la distancia de los enlaces químicos de un preservante alimentario empleado habitualmente en productos cárnicos. El encapsulado del aditivo modificado en el envase plástico genera una superficie de contacto que impide el crecimiento de las bacterias. Este efecto se ha demostrado también, entre otros microorganismos, para la resistente Listeria monocytogenes. Así, un simple envase de plástico aumenta la seguridad alimentaria”, explica el profesor José Francisco Fernández Lozano, del Instituto de Cerámica y Vidrio del CSIC.

El nuevo producto contra la listeria está ya disponible para su uso comercial. “La capacidad de producción actual permite suministrar aditivo para más de 50 millones de envases de alimentación. El aditivo está aprobado para su uso en envases plásticos de contacto con alimentos según las normativas EC 10/2011 y como aditivo activo según la EC450/2009”, explica Javier Menéndez, CEO de la startup Encapsulae SL. Encapsulaees una empresa de base tecnológica surgida del CSIC que forma parte de los programas de aceleración de startups de CLIMATE-KIC y PORCINNOVA para el desarrollo de envases activos y biodegradables. Ha ganado recientemente el primer puesto en la competición “Startups for sustainable land use” en la feria Smart Agrifood 2019 celebrada en Málaga.

Imagen de carne envasada facilitada por la empresa Encapsulae y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

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

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).

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

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).

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.

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.

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. 

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.

Autores: Susana Mª Fernández Ruano. José Javier Gandía Alabau. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT.

Uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad actual es el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan generar y almacenar energía de manera segura, sostenible y limpia; como consecuencia de la fuerte demanda energética existente. La generación de energía está originando una gran discusión socioeconómica que se ve agravada por el enorme crecimiento de la demanda en países emergentes. Esto da lugar a serios problemas medioambientales, de contaminación y cambio climático, así como a importantes problemas económicos por la cada vez más acuciante escasez de los recursos naturales y el continuo incremento de la factura de la electricidad. Estamos pues ante una sociedad altamente dependiente de las fuentes de energía, que comienza a ser consciente de la urgencia que hay por desarrollar y utilizar nuevas energías alternativas con carácter sostenible, por temor de que se agoten los recursos naturales.

En este escenario energético, en los próximos años se espera que la tecnología fotovoltaica juegue un papel crucial en la lucha contra el cambio climático. Hoy en día, la hoja de ruta del mercado fotovoltaico, dominado por la tecnología de la oblea de silicio, muestra una fuerte tendencia hacia células más delgadas y más baratas. En este sentido, la tecnología de heterounión de silicio surge como solución potencial de baja temperatura, ya que se trata de dispositivos con excelentes prestaciones y bajo consumo de energía en su fabricación. Uno de los progresos en esta tecnología requiere desarrollar nuevas arquitecturas de electrodos frontales transparentes que permitan la extracción de la corriente del dispositivo de manera más eficiente. En este sentido, el uso del grafeno, el material más resistente que se conoce en la naturaleza, atrae un gran interés. Se piensa que puede ser el substituto incluso de materiales tan importantes como el propio silicio en algunas aplicaciones, y promete su aplicación en sectores muy dispares. Las expectativas generadas para este material están siendo enormes, y no hay duda que presenta propiedades excepcionales que en principio podrían suponer una verdadera revolución tecnológica debido a sus características específicas.

Bajo estas premisas, la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT, en colaboración con la División de Química y la Unidad de Electrónica, ambas también del CIEMAT, y el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnologías (ISOM), perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se encuentra inmersa en el proyecto DIGRAFEN de la convocatoria de Retos de 2017 [1]. Una de las finalidades de este proyecto es llegar a implementar el grafeno, aprovechando sus excelentes propiedades, en dispositivos de generación de energía ya existentes. En particular, se pretende incorporar este material de modo que se mejoren las propiedades electrónicas y ópticas de los electrodos frontales, obteniendo así células fotovoltaicas más eficientes. Este proyecto es altamente innovador puesto que su principal enfoque es desarrollar nuevas tecnologías e ingeniería de procesado del grafeno para su uso en dispositivos de generación y almacenamiento de energía.

Actualmente la UESF, en estrecha colaboración con el ISOM, se encuentra explorando nuevas arquitecturas de electrodos transparentes basadas en incorporar una, dos y/o tres capas de grafeno atómico en unión con un óxido conductor transparente convencional, en diferentes configuraciones (ver Fig. 1 (a)).

Fig. 1. (a) Configuraciones de electrodo transparente con grafeno, y (b) sus propiedades ópticas, testeadas en el marco del proyecto DIGRAFEN [2].

Los primeros resultados obtenidos revelan que las propiedades optoelectrónicas del electrodo transparente basado en grafeno dependen dramáticamente del orden en el que se encuentren las capas de grafeno atómico. Tanto es así que se han obtenido valores de resistencia de hoja de 55 Ω/sq cuando el grafeno se coloca en la parte superior del electrodo, y de 150 Ω/sq, cuando el grafeno está situado en la parte posterior del mismo (cubierto por el óxido conductor transparente). En cuanto a sus propiedades ópticas, se ha observado que la transmitancia del conjunto no se ve afectada por la posición del grafeno; mientras que la comparación de las reflectancias espectrales con y sin grafeno transferido en la parte superior, nos permiten determinar una importante reducción en este valor, esencial para el dispositivo, validándose así la nueva arquitectura. Estos electrodos se aplicarán en un futuro muy cercano sobre un dispositivo fotovoltaico de heterounión de silicio. Todo ello con la intención de convertir en realidad el uso de uno de los materiales más prometedores que existen, contribuyendo además a la mejora de la generación de una energía limpia y sostenible.

Referencias:

[1] http://projects.ciemat.es/web/digrafen/

[2] S. Fernández, A. Boscá, J. Pedrós, A. Inés, M. Fernández, I. Arnedo, J.P. González, M. de la Cruz, D. Sanz, A. Molinero, R. Singh Fandan, M.A. Pampillón, F. Calle, J.J. Gandía, J. Cárabe, J. Martínez, “Advanced Graphene-based transparent conductive electrodes for photovoltaic applications”, Micromachines 2019, vol 10, 402 (11 pages).

Online version: https://doi.org/10.3390/mi10060402

Socios del proyecto:

• CIEMAT (División de Química, Unidad de Electrónica y Unidad de Energía Solar Fotovoltaica): www.ciemat.es
• ISOM (UPM):  www.isomgraphene.es

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano de la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT. E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es

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.

Contacto

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

Autores:  Susana Mª Fernández Ruano. Unidad de Energía Solar Fotovoltaica. Departamento de Energía. CIEMAT. Andrea Inés, Sergio Garay, Israel Arnedo. Das Nano Company.

En 2004, gracias a los Doctores K. Novoselov y A. Geim, se consiguió aislar el grafeno a temperatura ambiente utilizando un método tan simple como es la cinta Scotch. Este descubrimiento fue tan rompedor que bien valió el Premio Nobel de Física en 2010. Desde aquel momento, se prometen miles de aplicaciones en sectores muy dispares para este material increíble, y se piensa que podrá a llegar a ser tan relevante que sustituirá materiales tan utilizados como es el silicio. Esto es debido a las excelentes propiedades que presenta: duro, resistente, flexible y muy ligero; conduce el calor y la electricidad y permanece estable cuando se le somete a grandes presiones. Es tan versátil que se piensa que puede llegar a ser una auténtica revolución para la tecnología no tardando mucho tiempo.

Sin embargo, todo el magnífico progreso que se está realizando para obtener películas de grafeno que cubran grandes superficies no está siendo acompañado por métodos de caracterización rápidos y eficientes que permitan la obtención de sus propiedades eléctricas sin dañarlo. Ante esta nueva necesidad, la empresa tecnológica das-Nano ha desarrollado Onyx, el primer sistema contact-less del mercado, que permite caracterizar materiales en reflexión mediante ondas de Terahercio (ver Figura 1). Onyx permite medir parámetros eléctricos (conductividad, movilidad, densidad de portadores, etc) de materiales avanzados sin contacto y de forma no destructiva, a muy alta velocidad para obleas completas, y proporcionando mapas para una fácil visualización. Como muestra de lo novedoso de este equipo, que cubre la brecha entre las mediciones a macro y nano escala, la oficina de patentes de EEUU ha concedido a das-Nano una patente con la tecnología que está integrada en Onyx [1]. Este equipo permite también medir la distribución espacial de la calidad de la muestra con una excelente resolución espacial, del orden de unos pocos cientos de micras, y tiempo reducido, mejorando la eficiencia en comparación con otros métodos del mercado. Además, Onyx establece un compromiso óptimo entre resolución y velocidad de medida, pudiendo utilizarse tanto en procesos industriales como en investigación. Los estudios realizados con este novedoso equipo han generado recientemente varias publicaciones científicas en revistas de alto factor de impacto, confirmando que la inspección basada en ondas de Terahercio utilizada por Onyx es una gran herramienta para la caracterización de materiales avanzados como el grafeno.

Un ejemplo del buen funcionamiento de Onyx son los mapas de conductancia (Fig. 2a) y resistencia (Fig. 2b) obtenidos para un electrodo conductor transparente basado en la combinación de tres monocapas de grafeno, transferidos sobre una lámina de óxido de indio dopado con estaño (ITO), depositada por pulverización catódica, sobre silicio. Estas estructuras están siendo diseñadas y fabricadas en la Unidad de Energía Solar Fotovoltaica (UESF) del CIEMAT dentro del marco del proyecto DIGRAFEN, de la convocatoria de Retos de 2017 [2]. Este proyecto de ámbito nacional pretende demostrar que se puede aplicar el grafeno en dispositivos de generación y almacenamiento de energía para desarrollar nuevos y mejores productos.

 Fig. 1.  Imagen del equipo Onyx desarrollado por la empresa tecnológica das-Nano.

Fig. 2. Mapas de (a) conductancia y (b) resistencia de un electrodo transparente híbrido basado en grafeno e ITO, obtenidos con el equipo Onyx [3].

Los mapas mostrados en la Figura 2 son un claro ejemplo de lo potente que puede llegar a ser este equipamiento; pueden obtenerse con excelente resolución a velocidades tan rápidas como 15 mm²/min, lo cual facilita enormemente el proceso de caracterización, y se convierte en una técnica muy competitiva. Además, de estos mapas puede extraerse no sólo los valores de la conductancia y resistencia, 14.03 mS y 76.2 Ω/ en este caso particular, sino que se puede validar la homogeneidad de las muestras, que en el caso del grafeno y su manejo puede resultar muy útil.

A la vista de estos resultados, creemos que Onyx es la tecnología que necesita la industria de producción de grafeno para despegar definitivamente.

Referencias:

 [1] Azanza, E.; Chudzik, M.; López, A.; Etayo, D.; Hueso, L.E.; Zurutuza, A. Das Nano, S.L. Quality 399   inspection of Thin films materials. Unites States patent, US 10,267,836 (B2), 2019 April 23.

[2] http://projects.ciemat.es/web/digrafen

[3] S. Fernández, A. Boscá, J. Pedrós, A. Inés, M. Fernández, I. Arnedo, J.P. González, M. de la Cruz, D. Sanz, A. Molinero, R. Singh Fandan, M.A. Pampillón, F. Calle, J.J. Gandía, J. Cárabe, J. Martínez, “Advanced Graphene-based transparent conductive electrodes for photovoltaic applications”, Micromachines 2019, vol 10, 402 (11 pages). Online version: https://doi.org/10.3390/mi10060402

Contacto:

Susana Mª Fernández Ruano, Unidad de Energía Solar Fotovoltaica del CIEMAT.

E-mail: susanamaria.fernandez@ciemat.es