El proyecto pionero en Europa eGHOST desarrollará las directrices de referencia para el ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.


El consorcio internacional, liderado por el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA) Energía, definirá los principios de ecodiseño y mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como inversión sostenible y rentable.

La Comisión Europea considera el hidrógeno verde fundamental para cumplir su compromiso de obtener una economía neutra en carbono y circular para el año 2050. Para lograrlo, Europa quiere acelerar el uso de tecnologías basadas en hidrógeno que le permitan descarbonizar sectores económicos y almacenar energía que cubra la demanda cuando no haya generación de renovables. Asimismo, España también ha propuesto recientemente una hoja de ruta alineada con la estrategia europea y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la Naciones Unidades, para contribuir a liderar el impulso del hidrógeno como modelo energético del futuro.

A tal efecto, aunque el hidrógeno verde es un vector energético producido a partir de fuentes de energía, resulta esencial asegurar su sostenibilidad estableciendo unas pautas de ecodiseño que tengan un impacto favorable desde el punto de vista económico, social y medioambiental, durante todo su ciclo de vida. Es decir, desde el diseño propiamente, hasta la producción, utilización y fin de vida de las tecnologías de hidrógeno. Así, el ecodiseño es una parte clave de la economía circular. 

En este contexto, el proyecto pionero eGHOST (Eco-design Guidelines for HydrOgen Systems and Technologies) definirá las directrices y criterios de ecodiseño de dos productos clave en las tecnologías de hidrógeno que afectan, por ejemplo, a la fabricación de coches que usan este tipo de combustible. Por un lado, los electrolizadores de óxido sólido (técnica para romper las moléculas de agua y extraer el hidrógeno), y por otro las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico, para la generación de energía a partir de hidrógeno. 

El proyecto eGHOST –cuya reunión de lanzamiento se celebró el 21 de enero de 2021– mejorará la comprensión de los sistemas de hidrógeno como una inversión sostenible, según la taxonomía de la UE, incorporando un enfoque de toma de decisiones de triple impacto que incluye los aspectos ambientales, sociales y económicos del ciclo de vida. Las conclusiones que se extraigan, se integrarán en el Libro Blanco de eGHOST, un documento de orientación y referencia para cualquier futuro proyecto de ecodiseño de tecnologías de hidrógeno.

El IMDEA Energía coordina el proyecto de tres años de duración, en el que participan socios internacionales de reconocido prestigio en los campos de la energía, las tecnologías del hidrógeno y el análisis de sistemas, como CEA (Comisionado para la Energía Atómica y Renovables de Francia), la Universidad de Liubliana (Eslovenia), la Fundación Hidrógeno Aragón (España), SYMBIO (Francia) y el Instituto de Energía Aplicada (Japón). 

eGHOST ha recibido casi un millón de euros de financiación de la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno («The Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking»), bajo el contrato Nº 101007166. Esta Empresa Común recibe el apoyo del Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea Horizonte 2020 y de Hydrogen Europe y Hydrogen Europe Research.

Para más información: 

Más información sobre los socios :

Objetivos de Desarrollo sostenible asociados a eGHOST:

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El dióxido de carbono como sustrato de metaloenzimas redox


Autor: Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC.

Recientemente se ha reportado un método electroquímico sencillo para demostrar que dos tipos de metaloenzimas redox utitilizan directamente el CO2 como sustrato en lugar de su forma hidratada (bicarbonato).

Las metaloenzimas redox son proteínas que catalizan reacciones de oxidación/reducción y que contienen en su centro catalítico metales. Éstas son capaces de catalizar de forma específica reacciones de gran interés para aplicaciones energéticas con bajo sobrepotencial y en condiciones de reacción suaves, es decir a temperatura ambiente, presión atmosférica y en medio acuoso. Estas propiedades catalíticas son muy adecuadas para el diseño de procesos sostenibles de conversión energética y de acuerdo a los principios de la química verde, como son evitar el uso de disolventes orgánicos y de condiciones de reacción de alto consumo energético.  

Uno de los retos más importantes que tiene actualmente el campo de la química es el desarrollo de catalizadores eficientes y selectivos para la reducción del CO2, ya que es bien sabido que los niveles atmosféricos de esta molécula gaseosa han subido de forma alarmantemente en las últimas décadas, lo cual probablemente está acelerando el cambio climático con sus devastadores efectos en el medio ambiente y la economía mundial.  Teniendo en cuenta que hay varios tipos de metaloenzimas que son capaces de catalizar de forma reversible la reducción de CO2, es muy interesante su estudio para aplicación en electrolizadores o celdas fotoelectroquímicas para obtener compuestos de valor añadido, a la vez que se elimina el gas de efecto invernadero.

En concreto, las enzimas formiato deshidrogenasa y CO deshidrogenasa catalizan de forma reversible  y selectiva la reducción del dióxido de carbono a formiato y monóxido de carbono respectivamente. Dado que catalizan estas reacciones en medio acuoso, ha sido motivo de debate desde hace décadas si el sustrato de estas enzimas era propiamente la molécula de CO2 disuelta en agua o su forma hidratada mayoritaria a pH neutro o ligeramente ácido, el bicarbonato (HCO3-). Por este motivo, en muchas ocasiones se añade la enzima anhidrasa carbónica al medio, ya que cataliza la conversión rápida del CO2 a bicarbonato, para acelerar la reducción de CO2. Sin embargo, en un artículo muy reciente publicado en la prestigiosa revista Angewandte Chemie se ha demostrado por un sencillo método electroquímico que el sustrato de ambas metaloenzimas es el CO2. El método de Fourmond y colaboradores ha consistido en la adsorción de la metaloenzima a estudiar en la superficie de un electrodo de grafito y en realizar cronoamperometrías a un potencial de -0.66 V vs. NHE. A partir de las diferencias en las cinéticas de los incrementos en intensidad de corriente de reducción cuando se añade CO2 o bicarbonato sódico, en presencia o en ausencia del enzima anhidrasa carbónica en el electrolito acuoso. Los resultados indican que para ambas enzimas el proceso de reducción es más rápido cuando se añade directamente CO2 en lugar de bicarbonato sódico, independientemente de que haya anhidrasa carbónica en el medio o no. Por lo tanto, los autores han demostrado de forma sencilla que el sustrato que participa en el mecanismo catalítico de ambas metaloenzimas es la molécula de CO2 y no sus formas hidratadas. Esta conclusión tiene gran importancia para el futuro desarrollo de catalizadores biomiméticos más selectivos para la valorización del dióxido de carbono.

Referencias

1. M. Yuan, M. J. Kummer, S. D. Minteer. Strategies for bioelectrochimical CO2 reduction.

2. M. Meneghello, A. R. Oliveira, A. Jacq-Bailly, I. A. C. Pereira, C. Leger, V. Fourmond. Formate dehydrogenases reduce CO2 rather than HCO3-: An electrochemical demonstration.

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Antonio López de Lacey, Investigador Responsable del Grupo FCF del Programa FotoArt-CM

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

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Ensuciamiento en sistemas solares: Retos y oportunidades


Autor: Ricardo Conceição, IMDEA Energía

El ensuciamiento producido por la acumulación de materia sólida sobre la superficie de los dispositivos de captación de energía solar, como paneles fotovoltaicos o los espejos de sistemas de concentración solar, son el origen de la diminución de la eficiencia óptica y así del rendimiento de la producción de energía eléctrica. Durante las dos últimas décadas, el análisis del ensuciamiento en sistemas solares ha sido objeto de un interés creciente, principalmente a partir de 2015, y se prevé que será todavía mayor en el futuro. Esta circunstancia tiene como origen la significativa reducción de los costes de fabricación e instalación de las tecnologías solares (fundamentalmente la fotovoltaica) conducente a una mayor penetración de las tecnologías renovables de origen solar en el mercado eléctrico y la necesidad de reducir los costes de operación y mantenimiento de las plantas, así como optimizar su operación. Se ha estimado que el ensuciamiento puede ocasionar una caída de al menos 3%-4% de la producción eléctrica de origen solar, la cual supone una disminución de ingresos de 3-5 mil millones de euros (Ilse et al. 2019 Joule 3(10) 2303-2321).

Las actividades de investigación en el área del ensuciamiento en sistemas solares se dirigen a: (i) la caracterización del ensuciamiento in-situ; (ii) la modelización de formación así como de modelos predictivos; y (iii) desarrollar soluciones tecnológicas eficientes y de bajo coste para mitigar el ensuciamiento y/o limpiar los sistemas de captación. En este marco, se pueden enumerar los recientes avances en sistemas de limpieza activos, como el desarrollo de cortinas electrostáticas (Sayyah et al. 2017 J. Electrostatics, 87, 173–179) o de sistemas semi-automatizados de limpieza; técnicas de medida ultrarrápidos basados en el uso de cámaras y drones para cuantificar espacial y temporalmente el ensuciamiento y que complementará o sustituirán técnicas clásicas (como el uso de reflectómetros y trazadores de curvas I-V); los modelos predictivos que permiten optimizar la programación de actividades de limpieza así como de posición de los sistemas solares en períodos de reposo.

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José González Aguilar, Responsable del grupo IMDEAE-UPAT en ACES2030-CM – jose.gonzalez@imdea.org

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez, IMDEA Energía

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EL PAPEL DE LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO EN EL MIX ENERGÉTICO ESPAÑOL


Autor: Dra. Esther Rojas, CIEMAT-PSA

El Plan Nacional de Energía y Clima, PNIEC 2021-2030 es la estrategia propuesta por el Gobierno español para que España contribuya activamente al cumplimiento del compromiso de la Unión Europea para que ésta llegue a tener una economía próspera, moderna, competitiva y climáticamente neutra en 2050. Dentro de este Plan y en referencia al Almacenamiento Térmico se menciona que “Adicionalmente, es importante señalar el aumento del almacenamiento térmico que se producirá asociado a las instalaciones de energía solar de concentración. Instalaciones que incrementan su potencia instalada en 5 GW entre 2021 y 2030 y que disponen de 9 horas de almacenamiento empleando unos depósitos de sales fundidas” [1].

Los sistemas de almacenamiento térmicos a los que se refiere el PNIEC son sistemas perfectamente validados y que, junto con el almacenamiento por hidro-bombeo, son los únicos sistemas de almacenamiento de energía con gran capacidad para centrales eléctricas actualmente disponibles comercialmente: desde 20MWe / 300MWeh de la planta STE Gemasolar en España hasta el 280MWe / 1880 MWeh de la Central de potencia Solana en EEUU. El coste medio de inversión de estos sistemas de almacenamiento de energía ronda los 40 €/KWeh en la actualidad [2]. Estos dos hechos -gran capacidad de almacenamiento y bajo coste- sitúan los sistemas de almacenamiento térmicos en una posición privilegiada –pero, lamentablemente, muy desconocida- para la gestionabilidad de centrales de producción eléctrica.  Es por ello que en la actualidad se está explorando, y no solo a nivel de investigación si no a nivel comercial,  el uso de estos sistemas para almacenar grandes cantidades de energía procedentes de otras fuentes de energía renovables, como son la eólica y la fotovoltaica. Tecnologías renovables éstas que, a fecha de hoy, no son gestionables puesto que carecen de sistemas de almacenamiento de gran capacidad a un precio asumible. Así, por ejemplo, Siemens-Gamesa, empresa del sector eólico, está impulsando los sistemas de almacenamiento de energía térmica como sistemas de almacenamiento de gran capacidad para campos eólicos, gestores de calor de procesos y reconversión de plantas de combustibles fósiles [3].

Por otro lado, es de destacar que  las empresas españolas han sido líderes mundiales en la tecnología de sistemas comerciales de almacenamiento térmicos para centrales de potencia con energía solar térmica de concentración.  En este sentido, la colaboración CIEMAT – empresas ha sido una constante a lo largo del tiempo, fortaleciendo el papel del CIEMAT como herramienta y vínculo de las empresas para el desarrollo de la Ciencia y la Tecnología.

Existen tecnologías solares de concentración muy prometedoras para la producción de electricidad para las que los sistemas de almacenamiento térmicos comentados en los párrafos anteriores no son los más adecuados. Así, entre las 12 actividades de I + D + i priorizadas en la Iniciativa de Liderazgo Global en Energía Solar Concentrada-Plan de Implementación del SET-Plan (2017), se mencionan las siguientes tecnologías de concentración: Nueva generación de plantas de torre con sales fundidas a temperaturas más altas (prioridad 3), Plantas de torre con receptor volumétrico atmosférico (prioridad 6), Plantas de torre con receptor de aire presurizado (prioridad 9) y Desarrollo de un ciclo combinado híbrido supercrítico Brayton (1000 ºC) (prioridad 12). Las descripciones de las actividades priorizadas 6 y 9 incluyen explícitamente la necesidad de sistemas de almacenamiento adecuados. Los retos tecnológicos que plantean estas nuevas plantas termosolares de concentración en relación a los sistemas de almacenamiento son diversos en función de la tecnología correspondiente. En el Proyecto ACES2030-CM (S2018/EMT-4319) a través del Programa de Actividades de I+D entre Grupos de Investigación de la Comunidad de Madrid en Tecnologías 2018, cofinanciado con fondos estructurales, se está estudiando el funcionamiento de lechos fijos de rocas y otros materiales como sistemas de almacenamiento y que utilizan como medio de transferencia aire atmosféricos (tecnología priorizada. 6). Para ello, el CIEMAT está utilizando su prototipo experimental ALTAYR   (ver foto) en el que se pueden estudiar diferentes tipos de materiales cargándolos con energía térmica con aire hasta 900ºC.

Dispositivo experimental ALTAYR  (CIEMAT)

Para concluir, decir que el almacenamiento térmico también puede y debe jugar un papel importante dentro del sector industrial. Siendo este sector  el consumidor de alrededor del 30% de la energía total del país, en el PNIEC  es el único sector de la economía que aumenta sus emisiones (4%) en el período del Plan. Gran parte de este consumo de energía es en forma de energía térmica (calor de proceso) y es por eso que las tecnologías solares térmicas, con y sin concentración, pueden jugar un papel importante. En cualquier caso, la simple optimización de los flujos de energía ya podría reducir significativamente el consumo de energía asociado. Dentro de esta optimización de flujos, los sistemas de almacenamiento térmico pueden jugar un papel importante como gestores eficientes del calor residual.

Referencias

[1] pág. 87 del PNIEC, obtenido en https://www.miteco.gob.es/images/es/pnieccompleto_tcm30-508410.pdf

[2] L. Crespo, Abril 2020, The double role of CSP plants on the future Electrical Systems, presentado en la Conferencia de WBG ‘Concentrating Solar for Power and Heat’

[3] https://www.siemensgamesa.com/es-es/products-and-services/energia-hibrida-y-almacenamiento/almacenamiento-de-energia-termal-con-etes

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Esther Rojas, Investigadora principal grupo CIEMAT-ATYCOS en ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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Fotocatálisis potenciada con luz visible vía funcionalización endohédrica de un fotocatalizador orgánico en nanotubos de carbono de pared sencilla


Autores: Daniel González-Muñoz, Ana Martín-Somer, Klara Strobl, Silvia Cabrera, Pedro J. de Pablo, Sergio Díaz-Tendero, Matías Blanco y José Alemán

Resumen: En este trabajo se presenta la encapsulación de un fotocatalizador orgánico, 10-fenilfenotiazina (PTH), en la cavidad interna de nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNTs) como una novedosa estrategia de heterogenización. El material generado se utilizó como fotocatalizador heterogéneo en reacciones de deshalogenación mediante transferencia sencilla de un electrón usando luz visible. Nuestro material híbrido tiene una actividad fotocatalítica potenciada, llegando a valores de turnover de hasta 3200, presentando además un completo y estable reciclaje en más de 8 ciclos de reacción. Mediante cálculos computacionales se confirmó la comunicación electrónica entre ambos miembros ya que, tras iluminar, un electrón de una unidad de PTH excitada se transfiere desde el sistema π de la molécula a la nube π deslocalizada del nanotubo, lo cual justifica esta potenciada actividad fotocatalítica.

Abstract: The encapsulation of an organic dye, 10-phenylphenothiazine (PTH), in the inner cavity of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) as a breaking heterogenization strategy is presented. The PTH@oSWNT was employed as a heterogeneous photocatalyst in single electron transfer dehalogenation reactions under visible light irradiation. The material showed an enhanced photocatalytic activity, achieving turnover numbers as high as 3200, with complete recyclability and stability for more than eight cycles. Computational calculations confirm that electronic communication between both partners is established because, upon illumination, an electron of the excited PTH is transferred from the π system of the molecule to the delocalized π-cloud of the SWNT, thus justifying the enhanced photocatalytic activity.

Hemos descrito cómo la funcionalización endohédrica de un fotocatalizador orgánico en la cavidad de nanotubos de carbono genera un material híbrido que potencia su estabilidad y su actividad fotocatalítica.

Los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT) son alótropos del carbono monodimensionales cuyas propiedades son increíbles, aunque la cantidad de reacciones que pueden catalizar son escasas. En el campo de la fotocatálisis se han desarrollado materiales compuestos donde los SWNT integran la parte conductora al combinarse con unidades fotoactivas inorgánicos (TiO2 fundamentalmente), organometálicos (complejos de iridio y rutenio) y orgánicos (colorantes orgánicos). Para obtener estas nanoestructuras se suelen emplear dos estrategias. La primera se basa en contacto físico sin ningún tipo de interacción química, lo que supone un método fácil que genera una buena comunicación entre el tubo y la unidad fotoactiva, pero la estabilidad del híbrido resultante está comprometida y suele ser frágil. La segunda estrategia utiliza fuertes enlaces covalentes, lo que aporta estabilidad y reciclaje del catalizador, pero el esfuerzo sintético en ocasiones es demasiado tedioso para el bajo resultado catalítico obtenido, ya que la comunicación entre nanotubo y fotocatalizador no está asegurada.

En este trabajo nos planteamos la posibilidad de introducir el fotocatalizador en la cavidad interna de los nanotubos, lo que teóricamente supondría una combinación de las dos grandes estrategias de funcionalización en términos de comunicación electrónica y estabilidad del material resultante. A pesar del gran desarrollo de la ciencia de (nano)materiales y de los procedimientos de funcionalización de nanotubos, la funcionalización endohédrica con fines fotocatalíticos no había sido descrita hasta el momento. El grupo de investigación FRONCAT, liderado por el Profesor Alemán, ha descrito la introducción de una molécula orgánica, 10-fenilfenotiazina (PTH), con conocidas propiedades fotocatalíticas en el interior de SWNTs con el fin de generar un fotocatalizador heterogéneo híbrido. Esta idea no solo ofrece la posibilidad de heterogenizar un fotocatalizador y ganar estabilidad y reciclaje durante la reacción, sino también la posibilidad de establecer efectos sinérgicos que hagan que el material hibrido PTH@oSWNT pueda trabajar con una actividad catalítica potenciada con respecto a los ensayos homogéneos. En realidad, estudios computacionales combinados con pruebas espectroscópicas demostraron que tras iluminar el fotocatalizador PTH@oSWNT, la PTH es capaz de seguir excitándose y donar electrones. No obstante, tal como afirma el Dr. Blanco, esos electrones que darían lugar a los procesos fotocatalíticos homogéneos, por el hecho de funcionalizar endohédricamente, son inyectados en el sistema π conjugado del nanotubo. Por tanto, se genera un “material híbrido excitado” capaz de llevar a cabo procesos de deshalogenación mediante procesos de transferencia sencilla de un electrón que permiten la síntesis de compuestos de interés en síntesis orgánica, como procesos de ciclación para sintetizar heterociclos orgánicos e incluso reacciones de α-alquilación de aldehídos. Estas reacciones son importantes desde un punto de vista sintético y medioambiental. La sinergia establecida permite realizar con altísima eficiencia la catálisis estudiada, llegando a valores de turnover de 3200, un orden de magnitud superior al ensayo homogéneo en las mismas condiciones de trabajo, e incluso completar las reacciones en tiempos inferiores a 1h.

Las conclusiones obtenidas por los autores se basan en un profundo estudio de las características del material. Mediante microscopía y espectroscopia se comprobó que efectivamente la molécula PTH se encontraba en el interior de los nanotubos de carbono, mientras que al iluminar con un láser azul y registrar la emisión de la muestra, se registraron unidades tubulares que presentaban fuertes destellos. Además, las reacciones orgánicas estudiadas permiten afirmar que el material PTH@oSWNT es un versátil fotocatalizador con un gran alcance, capaz de transformar una gran variedad de sustratos, especialmente moléculas aromáticas altamente condensadas. Otro hecho muy importante es que el material PTH@oSWNT es tremendamente robusto durante operación. Un estudio de reciclado del catalizador durante más de 8 reacciones consecutivas demostró idénticos resultados comparados con el primer ciclo catalítico (resultados que el catalizador homogéneo no es capaz de realizar) sin que las características del material se viesen modificadas y sin lixiviar cantidades detectables de PTH al medio de reacción.

Referencia bibliográfica:

González-Muñoz, D.; Martín-Somer, A.; Strobl, K.; Cabrera, S.; de Pablo, P.J.; Díaz-Tendero, S.; Blanco, M.; and Alemán, J. “Enhancing Visible Light Photocatalysis via Endohedral Functionalization of Single Walled Carbon Nanotubes with Organic Dyes” ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021, In press. DOI: 10.1021/acsami.1c04679

Contacto:

José Alemán, Responsable del Grupo FRONCAT e Investigador responsable del Grupo FRUAM del Programa FotoArt-CM – jose.aleman@uam.eswww.uam.es/jose.aleman

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

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Almacenamiento de H2 en materiales MOF


Autores: Elena García, Jesús Tapiador, Isabel Aguayo, Gisela Orcajo, Carmen Martos, Juan Ángel Botas, Guillermo Calleja

Grupo de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Rey Juan Carlos

C/ Tulipán, s/n, 28933, Móstoles, Madrid

En la actualidad, el petróleo, el carbón y el gas natural constituyen más del 70 % del consumo energético según la Agencia Internacional de Energía [1]. El alto impacto ambiental que conlleva el uso de combustibles fósiles ha provocado el desarrollo de nuevas fuentes de energía limpias y sostenibles [2].

En este contexto, la producción, almacenamiento y uso de la energía se ha convertido en una prioridad debido a la creciente demanda de ésta en todo el mundo. A esto se añade que estos procesos deben ser sostenibles y medioambientalmente respetuosos, por lo que se están buscando fuentes de energías limpias alternativas que sean eficientes y competitivas económicamente [3].

De esta manera, el hidrógeno se considera como una alternativa ideal a los combustibles fósiles, siempre y cuando sea producido empleando energía primaria renovable, debido a que su combustión produce electricidad y agua como único producto. Sin embargo, a pesar de ser uno de los portadores de energía más prometedores, todavía es necesario implementar mejoras en su trasporte y almacenamiento [4]. El desarrollo de sistemas de almacenamiento de hidrógeno seguros y efectivos es fundamental para su uso en las tecnologías de pilas de combustible. Una de las principales dificultades es que el hidrógeno gaseoso difunde y se expande fácilmente ocupando un gran volumen, por lo que se necesitarían sistemas de almacenamiento de tamaño adaptado al espacio disponible en los vehículos. Además, los métodos de almacenamiento convencionales requieren presiones extremadamente altas que se traducen en la necesidad de tanques de almacenamiento pesados por cuestiones de seguridad, y un consumo de energía elevado para la compresión hasta presiones de hasta 350 – 700 bar. Estos dos inconvenientes son grandes obstáculos y requieren el desarrollo de materiales capaces de almacenar elevadas cantidades de hidrógeno en condiciones moderadas [5]. Entre los diversos enfoques existentes, el almacenamiento de hidrógeno basado en materiales porosos es considerado como una solución prometedora debido a la excelente reversibilidad, buena cinética y la posibilidad de almacenar hidrógeno a bajas presiones (< 100 bar) [6]. Para obtener mejoras en esta dirección, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha establecido que en el año 2025 el objetivo de almacenamiento de hidrógeno sea del 6,5 % en peso de capacidad gravimétrica y 50 g/L de capacidad volumétrica a temperaturas comprendidas entre -40 y 60 ºC y a presión inferior a 100 bar [7].

En este contexto, los materiales porosos tipo MOF (“Metal-Organic Framework”) han atraído la atención como materiales porosos para el almacenamiento de hidrógeno, siendo unos de los materiales porosos más investigados a día de hoy [8-12]. Estos materiales presentan elevada porosidad y características superficiales que los hacen adecuados para la fisisorción de hidrógeno [13, 14]. Se ha comprobado que los materiales MOF muestran una gran capacidad de adsorción de diferentes gases [15], habiéndose estudiado gran variedad de materiales para el almacenamiento de hidrógeno [16-19].

Los MOF se pueden definir como sólidos cristalinos que se forman mediante el autoensamblaje de clústeres metálicos inorgánicos y ligandos orgánicos, que permiten múltiples combinaciones, modificando así sus propiedades para orientarlos a una aplicación concreta [20-21].

Para dirigir la síntesis de una estructura MOF en particular, es necesario controlar las condiciones de síntesis (precursores, temperatura, tiempo, etc.). Específicamente, los ligandos con ácidos carboxílicos son unos de los más empleados para la formación de estas estructuras. Como se puede observar en la estructura de uno de los MOFs más extendidos, el MOF-5 (Fig.1.), los agregados metal-carboxilato dan lugar a una clase de unidades de construcción secundarias (SBUs), que se coordinan a moléculas orgánicas para dar lugar a redes cristalinas con diferentes características estructurales y topológicas.

Figura 1. Unidades básicas que forman la red del MOF-5.

Cabe destacar que el término de unidad de construcción secundaria (SBUs) es un término descrito por primera vez por Yagui et al. en 1995 [22], y juega un factor clave en el diseño de los MOF ya que les confiere estabilidad mecánica y versatilidad dependiendo de la naturaleza del metal y del ligando orgánico.

Entre todas estas características, las que diferencian a los materiales MOF del resto de materiales porosos son su elevada cristalinidad, la presencia de una estructura de porosidad permanente, además de su fascinante combinación de funcionalidad química procedente del ligando orgánico y la parte metálica, confiriéndoles una gran variedad estructural y de composición, debido al amplio abanico de constituyentes que se pueden emplear para su síntesis.

Por ello, el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos trabaja en el diseño y síntesis de nuevos materiales MOF para el almacenamiento de hidrógeno, en el marco de proyectos de investigación financiados por la Comunidad de Madrid como es el Programa ACES2030-CM, y del Ministerio de Economía y Competitividad, como es el proyecto “Diseño de materiales Metal-Orgánicos selectivos para la valorización del CO2 y el almacenamiento de hidrógeno” (PGC2018-099296-B100).

Además, este grupo de investigación cuenta ya con una amplia experiencia de más de 15 años en el campo de la síntesis de materiales MOF para su aplicación en el almacenamiento de hidrógeno, entre otras aplicaciones de adsorción y catalíticas. En algunos de sus trabajos más recientes se han sintetizado materiales novedosos a partir de ligandos tetratópicos no comerciales derivados del ácido tereftálico, cuya ruta orgánica ha sido desarrollada en nuestro laboratorio. En concreto, se han utilizado para cristalizar estructuras con los ligandos ácido 5,5’-(diazeno-1,2-diil) diisoftálico (URJC-3) [23], ácido 5,5’-(etino-1,2-diil) diisoftálico (URJC-4) [24], o con el ácido 5,5’tiodiisoftálico (URJC-5, URJC-6, URJC-7) [25] (Fig. 2.).

Parte de este estudio se centra en la influencia de los distintos grupos funcionales en los ligandos orgánicos sobre la topología de las estructuras obtenidas, así como sobre sus propiedades de adsorción de hidrógeno, obteniendo resultados de gran valor científico que contribuyen al conocimiento en esta área de investigación.

Figura 2. Imagen en proyección 3D de: a) Co-URJC-3 y Ni-URJC-3; b) Co-URJC-4 y Ni-URJC-4; c) Co-URJC-5, Cu-URJC-6, Zn-URJC-7.

Referencias

[1] U.S Energy Information Administration. International Energy Outlook 2019. Marzo 2020.

[2] Lu, Y., Deng, Y., Lu, S., Liu, Y., Lang, J., Cao, X., & Gu, H. (2019). MOF-derived cobalt–nickel phosphide nanoboxes as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction. Nanoscale, 11(44), 21259-21265.

[3] Huggins, R. A. (2010). Energy storage (Vol. 406). New York: Springer.

[4] Ahmed, A., Liu, Y., Purewal, J., Tran, L. D., Wong-Foy, A. G., Veenstra, M., … & Siegel, D. J. (2017). Balancing gravimetric and volumetric hydrogen density in MOFs. Energy & Environmental Science, 10(11), 2459-2471.

[5] Koizumi, K., Nobusada, K., & Boero, M. (2019). Hydrogen storage mechanism and diffusion in metal–organic frameworks. Physical Chemistry Chemical Physics, 21(15), 7756-7764.

[6] Ren, J., Langmi, H. W., North, B. C., & Mathe, M. (2015). Review on processing of metal–organic framework (MOF) materials towards system integration for hydrogen storage. International Journal of Energy Research, 39(5), 607-620.

[7] U.S Energy Information Administration. International Energy Outlook 2020. Febrero 2021.

[8] Ahmed, A., Seth, S., Purewal, J., Wong-Foy, A. G., Veenstra, M., Matzger, A. J., & Siegel, D. J. (2019). Exceptional hydrogen storage achieved by screening nearly half a million metal-organic frameworks. Nature communications, 10(1), 1-9.

[9] Witman, M., Ling, S., Gladysiak, A., Stylianou, K. C., Smit, B., Slater, B., & Haranczyk, M. (2017). Rational design of a low-cost, high-performance metal–organic framework for hydrogen storage and carbon capture. The Journal of Physical Chemistry C, 121(2), 1171-1181.

[10] Thornton, A. W., Simon, C. M., Kim, J., Kwon, O., Deeg, K. S., Konstas, K., … & Smit, B. (2017). Materials genome in action: identifying the performance limits of physical hydrogen storage. Chemistry of Materials, 29(7), 2844-2854.

[11] Gómez-Gualdrón, D. A., Wang, T. C., García-Holley, P., Sawelewa, R. M., Argueta, E., Snurr, R. Q., … & Farha, O. K. (2017). Understanding volumetric and gravimetric hydrogen adsorption trade-off in metal–organic frameworks. ACS applied materials & interfaces, 9(39), 33419-33428.

[12] Colón, Y. J., Gómez-Gualdrón, D. A., & Snurr, R. Q. (2017). Topologically guided, automated construction of metal–organic frameworks and their evaluation for energy-related applications. Crystal Growth & Design, 17(11), 5801-5810.

[13] Kondo, M., Yoshitomi, T., Matsuzaka, H., Kitagawa, S., & Seki, K. (1997). Three‐Dimensional Framework with Channeling Cavities for Small Molecules:{[M2(4,4′‐bpy)3(NO3)4]·xH2O} n (M= Co, Ni, Zn). Angewandte Chemie International Edition in English, 36(16), 1725-1727.

[14] Li, H., Eddaoudi, M., Groy, T. L., & Yaghi, O. M. (1998). Establishing microporosity in open metal− organic frameworks: gas sorption isotherms for Zn (BDC)(BDC= 1, 4-benzenedicarboxylate). Journal of the American Chemical Society, 120(33), 8571-8572.

[15] Li, H., Eddaoudi, M., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature, 402(6759), 276-279.

[16] Rosi, N. L., Eckert, J., Eddaoudi, M., Vodak, D. T., Kim, J., O’Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2003). Hydrogen storage in microporous metal-organic frameworks. Science,  300(5622), 1127-1129.

[17] Murray, L. J., Dincă, M., & Long, J. R. (2009). Hydrogen storage in metal–organic frameworks. Chemical Society Reviews, 38(5), 1294-1314.

[18] Feng, D., Lei, T., Lukatskaya, M. R., Park, J., Huang, Z., Lee, M., … & Xiao, J. (2018). Robust and conductive two-dimensional metal− organic frameworks with exceptionally high volumetric and areal capacitance. Nature Energy, 3(1), 30-36.

[19] Xu, X., Liu, J., Liu, J., Ouyang, L., Hu, R., Wang, H., … & Zhu, M. (2018). A general metal‐organic framework (mof)‐derived selenidation strategy for in situ carbon‐encapsulated metal selenides as high‐rate anodes for na‐ion batteries. Advanced Functional Materials, 28(16), 1707573.

[20] Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J., & Yaghi, O. M. (2006). Exceptional H2 saturation uptake in microporous metal− organic frameworks. Journal of the American Chemical Society, 128(11), 3494-3495.

[21] Howarth, A. J., Peters, A. W., Vermeulen, N. A., Wang, T. C., Hupp, J. T., & Farha, O. K. (2017). Best practices for the synthesis, activation, and characterization of metal–organic frameworks. Chemistry of Materials, 29(1), 26-39.

[22] Yaghi, O. M., Li, G., & Li, H. (1995). Selective binding and removal of guests in a microporous metal–organic framework. Nature, 378(6558), 703-706.

[23] Montes-Andrés, H., Leo, P., Orcajo, G., Rodríguez-Diéguez, A., Choquesillo-Lazarte, D., Martos, C., … & Calleja, G. (2019). Novel and Versatile Cobalt Azobenzene-Based Metal-Organic Framework as Hydrogen Adsorbent. ChemPhysChem, 20(10), 1334-1339.

[24] Montes-Andrés, H., Leo, P., Muñoz, A., Rodríguez-Diéguez, A., Orcajo, G., Choquesillo-Lazarte, D., … & Calleja, G. (2020). Two Isostructural URJC-4 Materials: From Hydrogen Physisorption to Heterogeneous Reductive Amination through Hydrogen Molecule Activation at Low Pressure. Inorganic Chemistry, 59(21), 15733-15740.

[25] Montes-Andrés, H., Leo, P., Orcajo, G., Rodríguez-Diéguez, A., Choquesillo-Lazarte, D., Martos, C., … & Calleja, G. (2020). Synthesis, Structural Features, and Hydrogen Adsorption Properties of Three New Flexible Sulfur-Containing Metal–Organic Frameworks. Crystal Growth & Design, 20(10), 6707-6714.

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Elena García, Investigadora del Grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Avances en el estudio de ciclos de potencia en plantas termosolares


Autor: Javier Muñoz-Antón. Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La evolución de la energía termosolar está llevando a que no sólo se focalice la atención y los esfuerzos de la comunidad científica e industrial en las formas de captar energía solar, también en la forma de convertir esa energía térmica en energía eléctrica de forma más eficiente. Una de las formas de conseguir una generación más eficiente es sustituyendo el tradicional ciclo Rankine, o ciclo de vapor, por otro que se acopla mejor a los tiempos característicos de la energía solar y de la demanda de la red eléctrica, como son los ciclos Brayton, o Joule-Brayton o ciclos de gas. Entre los ciclos de gas que a día de hoy están en boga, destacan los que utilizan como fluido de trabajo dióxido de carbono, los cuales están demostrando interesantes características y atraen cada vez más interés en el sector. Dentro de ellos, surge la posibilidad de tratar de potenciar aún más sus posibilidades utilizando como fluido de trabajo mezclas de dióxido de carbono con otros fluidos.

Abstract

Solar thermal energy current evolution is leading not only to focus the attention and efforts of the scientific and industrial community on the ways of capturing solar energy, but also on the way of converting that thermal energy into electrical energy more efficiently. One of the ways to achieve a more efficient generation is by substituting the traditional Rankine cycle, or steam cycle, for another that better matches the characteristic times of solar energy and the demand of the electricity grid, such as Brayton cycles, or Joule-Brayton or gas cycles. Among the gas cycles that are in vogue today, those that use carbon dioxide as a working fluid stand out, which are showing interesting characteristics and attracting more and more interest in the sector. Within them, the possibility arises of trying to further enhance its possibilities by using mixtures of carbon dioxide with other fluids as a working fluid.

Artículo

Las plantas comerciales de energía solar de concentración actuales basan su producción de energía eléctrica en el uso de un ciclo Rankine o de vapor de agua para la conversión del calor recolectado del sol en electricidad. Estos ciclos se caracterizan por tener una gran inercia térmica, lo que hace que sean adecuados para un funcionamiento en condiciones constantes en el tiempo, pero ante cambios de la carga son lentos, así como el proceso de arranque o parada lleva más tiempo del deseado, por ejemplo, en el arranque de una planta termosolar.

Una solución para paliar este efecto fue atender a otros ciclos termodinámicos que dieran lugar a una mayor velocidad de la respuesta ante variaciones de carga térmica, y es ahí donde aparecen los ciclos Brayton.

Una forma alternativa a como es el comportamiento de este tipo de ciclos es pensar cómo reacciona un ciclo y otro, los ciclos Brayton son los relacionados con los motores a reacción de la industria aeronáutica, permiten acelerar de forma muy rápida… sin embargo, un ciclo Rankine en un avión haría que sólo variar de carga hasta condiciones nominales podría llevar al tiempo que actualmente requiere un trayecto Madrid-Barcelona por puente aéreo.

Así, aprovechando esa gran capacidad de adaptación a cargas variables de los ciclos Brayton, se puede conseguir una mejor adaptación a la naturaleza cambiante del recurso solar. Estos ciclos presentan múltiples variantes que a día de hoy están siendo estudiadas por numerosos grupos de investigación en el mundo, entre ellas las mostradas en la figura 1 [1].

Figura 1. a) Simple Brayton cycle layout. b) Recompression Brayton cycle layout. c) Partial Cooling prior to Recompression Brayton cycle layout. d) Intercooling with Recompression Brayton cycle layout.

La eficiencia de estos ciclos, funcionando con dióxido de carbono puro, fluido que por sus características está reportado como el más adecuado para este fin [2], da lugar a interesantes prestaciones, como puede verse en la figura 2 [3].

Figura 2. Cycle efficiency vs UA. SB, RC, PCRC, and RCMCI Brayton cycles using pure s‑CO2 [3]

Estas prestaciones han motivado trabajos posteriores, en los que se planteaban escenarios de trabajo del dióxido de carbono, compresión y expansión del ciclo en otras zonas del diagrama termodinámico de dicho fluido, pudiendo mejorar aún más las prestaciones [4], abordando la denominada zona ‘pericrítica’, en las cercanías del punto crítico, para abordar la compresión del fluido, donde las características intrínsecas a esa zona, permiten un comportamiento similar al de un líquido, y con ello, una disminución importante de los consumos energéticos en este proceso, lo que afecta directamente al rendimiento global.

En coherencia con este aspecto, y con las irreversibilidades que aparecen en las etapas de recuperación de calor, surgen nuevas ideas, como la añadir nuevos elementos sobre el ciclo Brayton simple, figura 1(a) o el nuevo concepto de multi-heating, en el que se producen adiciones de calor donde los recuperadores pueden incurrir en ineficiencias. Estas adiciones de calor se realizan en una planta termosolar con receptores de menor temperatura, por lo que conllevan además mayor rendimiento, lo que repercute a su vez en el aprovechamiento global de la instalación [5,6], figura 3.

Figura 3. Diagram of a regenerative multi-heating cycle [6] (inspired by Dyreby [7]).

Estos avances, conocimiento de la zona peri-crítica de los fluidos y el concepto de multi-heating, permiten mejorar aún más las prestaciones de los ciclos Joule-Brayton de dióxido de carbono, principalmente desde el punto de vista de morfología del ciclo y el análisis que se puede hacer de la evolución de dicho ciclo en un diagrama termodinámico, por lo que la siguiente forma que surge de mejorar las prestaciones de estos ciclos es la posibilidad de añadir una cierta cantidad de otros fluidos al dióxido de carbono.

Entre esas mezclas aparecen ciertas cantidades de He, Kr, H2S, CH4, C2H6, C3H8, C4H8, C4H10, C5H10, C5H12, C6H6, C4H5F5, tal y como muestran los trabajos de algunos autores [8,9], ya sea por facilidad para conseguir esas mezclas o por las prestaciones que pueden llegar a dar. Entre estas prestaciones destacan la variación que inducen en la temperatura crítica de la mezcla, la cual, a su vez, constituye uno de los retos del estudio de estos ciclos: la fiabilidad de las bases de datos para los valores de propiedades termofísicas de las mezclas en las cercanías del punto crítico.

Hasta ahora, con la información disponible al respecto de las mezclas, los resultados que se obtienen son muy prometedores.

Figura 4. Real-gas cycles with mixtures as working fluid in the thermodynamic plane T-S. CIT just above the critical point and UA=15000kW/K [8].

Referencias

[1] Robert Valencia-Chapi, Luis Coco-Enríquez, Javier Muñoz-Antón, Comparing Line-Focusing and Central Tower Solar Power Plants with s-CO2 Binary Mixture Brayton Power Cycles, 27th SolarPACES Conference, 1-4 October, Daegu, South Korea.

[2] Javier Muñoz-Antón, Carlo Rubbia, Antonio Rovira, José M. Martínez-Val, Performance study of solar power plants with CO2 as working fluid. A promising design window, Energy Conversion and Management, Volume 92, 2015, Pages 36-46

[3] T. Neises and C. Turchi, “Supercritical carbon dioxide power cycle design and configuration optimization to minimize levelized cost of energy of molten salt power towers operating at 650 °C,” Sol. Energy, 2019.

[4] Luis F. González-Portillo, A new concept in thermal engineering optimization: the pericritical cycle with multi-heating and its application to concentrating solar power, Phd. Thesis, Universidad Politécnica de Madrid, 2019

[5] Luis F. González-Portillo, Javier Muñoz-Antón, José M. Martínez-Val, Supercritical carbon dioxide cycles with multi-heating in Concentrating Solar Power plants, Solar Energy, Volume 207, 2020, Pages 144-156

[6] Luis F. González-Portillo, Javier Muñoz-Antón, José M. Martínez-Val, Thermodynamic analysis of multi-heating cycles working around the critical point, Applied Thermal Engineering, Volume 174, 2020,115292

[7] J. Dyreby Modeling the Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle with Recompression PhD Thesis The University of Wisconsin, Madison (2014)

[8] Valencia-Chapi, R.; Coco-Enríquez, L.; Muñoz-Antón, J. Supercritical CO2 Mixtures for Advanced Brayton Power Cycles in Line-Focusing Solar Power Plants. Appl. Sci. 2020, 10, 55.

[9] J.-Q. Guo, M.-J. Li, J.-L. Xu, J.-J. Yan, and K. Wang, “Thermodynamic Performance Analysis of Different Supercritical Brayton Cycles using CO2-based binary Mixtures in the Molten Salt Solar Power Tower Systems,” Energy, 2019.

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Javier Muñoz-Antón, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.

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Llevando la Síntesis en Superficie hacia las aplicaciones


Autores: Carlos Sánchez Sánchez y José María Gómez Fernández. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

La Física de Superficies en general, y la Síntesis en Superficies en particular, son ramas de la ciencia con un marcado carácter fundamental. Es por ello que muchas veces reciben críticas sobre su posible utilidad a la hora de ayudar a solucionar problemas “reales” de la sociedad. Dichas afirmaciones ponen de manifiesto el esfuerzo que tenemos que hacer en el campo para demostrar que nuestras investigaciones, bajo condiciones de ultra-alto vacío, pueden ser muy útiles para entender procesos complejos y que, además, nuestros protocolos pueden ser extendidos a condiciones más compatibles con procesos industriales.

Es por ello que el grupo ESISNA se unió al proyecto FotoArt-CM. Dentro de este marco, el grupo ESISNA, en colaboración con el grupo IMDEA-E (IMDEA Energía), está tratando de utilizar las magníficas posibilidades que ofrece la Síntesis en Superficie a la hora de crear nanoestructuras de precisión atómica para sintetizar redes bidimensionales basadas en colorantes de la familia de las BODIPYs, que posteriormente será testadas en sistemas de electrofotocatálisis. Para ello, el grupo IMDEA-E ha sintetizado unos precursores de BOPHY funcionalizados con halógenos para que el grupo ESISNA los pueda depositar y activar térmicamente en superficie, formando así nanoestructuras de gran calidad. Los primeros resultados obtenidos son esperanzadores, ya que demuestran que somos capaces de depositar, activar y acoplar las moléculas de BOPHY dando lugar a oligómeros en superficie (ver Figura 1). Esta investigación sigue en curso y esperamos que dé lugar a interesantes resultados en los próximos meses, suponiendo un claro avance en la estrategia de ESISNA de llevar los nanomateriales “perfectos” crecidos bajo condiciones altamente controladas hacia aplicaciones enfocadas a retos sociales.


Figura 1. Arriba: esquema del precursor funcionalizado utilizado. Abajo: imagen STM de las cadenas moleculares formadas después de la activación térmica de los precursores en superficie

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Carlos Sánchez Sánchez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.

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

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Arranca el proyecto HySolChem: Reactor híbrido para la conversión solar de CO2 y N2 acoplado al tratamiento de aguas residuales


HySolChem es un proyecto europeo (H2020) de 36 meses de duración, que arrancó en enero de 2021. La reunión de lanzamiento entre las diferentes entidades que componen el consorcio tuvo lugar el pasado 9 de febrero de 2021. Este proyecto fue seleccionado entre una gran cantidad de propuestas enviadas para la convocatoria FET Proactive Emerging Paradigms and Communities (FETPROACT-EIC-07-2020), en el subtema B: Tecnologías innovadoras de conversión y almacenamiento de energía sin emisiones para la neutralidad de carbono.

HySolChem (https://www.hysolchem.eu) consiste en el diseño de un nuevo reactor de flujo compuesto por un fotocátodo donde se dé la reducción de CO2 o la fijación de N2 y un ánodo oscuro donde se oxiden contaminantes del agua que incluyan microplásticos. Para ello, el proyecto propone avances en el desarrollo de materiales y dispositivos sostenibles y de bajo coste para la conversión y el almacenamiento de energía solar mediante la producción de combustibles y productos químicos.

El Consorcio de HySolChem está coordinado por IMDEA Energía y lo forman varios equipos académicos y de investigación (Diamond Light Source Limited; Universidad Rey Juan Carlos; Katholieke Universiteit Leuven) así como pymes (Amer-Sil SA; Apria Systems SL; Innova SRL) especializados en métodos de catálisis, ciencia de materiales, almacenamiento energético y tratamiento de aguas. Esta característica permite a HySolChem sacar lo mejor de la amplia experiencia de los participantes del proyecto procedentes de 5 países europeos diferentes: Bélgica, España Italia, Luxemburgo y Reino Unido.

Más información:

Víctor de la Peña O´Shea (coordinador del proyecto HYSOLCHEM) jefe de la Unidad de Procesos Fotoactivados en IMDEA Energía y coordinador del proyecto regional FotoArt-CM victor.delapenya@imdea.org

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Armonización de la espectroscopía Raman para su uso extensivo


Autor: Raquel Portela

Armonización de la espectroscopía Raman para su uso extensivo

El nuevo proyecto CHARISMA, financiado con fondos europeos, está destinado a armonizar y estandarizar la espectroscopía Raman para facilitar la caracterización de materiales a lo largo de su ciclo de vida completo, desde el diseño y fabricación de un producto hasta su reutilización, reciclaje o desecho final, pasando por el rendimiento durante su vida útil.

La espectroscopía Raman es una herramienta de caracterización casi ideal, porque es una técnica no invasiva, sin marcadores, fácil de implementar incluso en entornos de fabricación hostiles, las muestras se pueden analizar sin preparación especial y proporciona una rápida “huella química” altamente específica de materiales orgánicos e inorgánicos, en forma gaseosa, líquida o sólida, incluyendo materiales amorfos o de dominio cristalino menor de cuatro nm, que no se pueden caracterizar por difracción de rayos X convencional. En las últimas décadas, los equipos Raman se han desarrollado rápidamente, y hoy en día los usuarios finales tienen una amplia variedad de instrumentos Raman disponibles a un costo razonable, desde equipos sofisticados de alta resolución [i] hasta dispositivos portátiles asequibles [ii]. Estas son las principales razones del rápido crecimiento del uso de Raman no solo en la investigación, sino también en la industria, principalmente para el control de calidad, y en particular en la industria farmacéutica [iii].

El desafío para una implementación más amplia es que los espectros Raman difieren entre instrumentos y son difíciles de cuantificar y analizar, lo que limita la estandarización e interoperabilidad de los datos y modelos [iv]. Es necesario armonizar las herramientas de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos de espectroscopía Raman de modo que usuarios con diferentes equipos en diversos entornos puedan compartirlos de forma justa, a través de bases de datos encontrables, accesibles, interoperables y reutilizables (Findable, Accesible, Interoperable y Reusable, FAIR). Esta armonización es de suma importancia para fomentar e implementar un entorno abierto de innovación en industrias existentes y en desarrollo a través de técnicas de caracterización basadas en la espectroscopía Raman.

El proyecto CHARISMA (Characterization and HARmonization for Industrial Standardisation of advanced MAterials) tiene como objetivo armonizar y estandarizar la caracterización mediante espectroscopía Raman, incluyendo hardware, protocolos de medida, métodos in silico, y bases de datos, lo que permitirá a los usuarios finales compartir datos digitales relacionados con los espectros entre diferentes dominios y durante todo el ciclo de vida de diversos productos. En CHARISMA se proponen nuevos conceptos para armonizar la caracterización mediante espectroscopía Raman para su uso extendido in situ deslocalizado y su implementación industrial en línea. Se desarrollarán protocolos e interfaces de programación de aplicaciones que permitirán a los fabricantes y usuarios de productos activos en Raman implementar y compartir fácilmente herramientas analíticas y datos adquiridos con diferentes equipos y software en diversas condiciones.

El proyecto, financiado por el programa europeo de investigación e innovación Horizonte 2020 (GA 952921) y coordinado por el CSIC, ha comenzado el 1 de noviembre de 2020 y durará 4 años. La primera Asamblea General reunió el pasado diciembre virtualmente a los 14 socios del consorcio, de 9 países, en una discusión colaborativa sobre cómo  lograr los objetivos, que incluyen:

  • Normalizar la armonización de la espectroscopía Raman en las comunidades de nanotecnología, materiales avanzados, biotecnología y fabricación y procesamiento avanzados.
  • Modelar para armonizar la espectroscopía Raman
  • Armonizar los espectros Raman
  • Armonizar los datos de caracterización Raman
  • Generar un repositorio de datos Raman siguiendo los principios FAIR
  • Demostrar el desempeño de la caracterización Raman armonizada en casos industriales reales diversos.
  • Estandarizar los protocolos Raman

El proyecto demostrará la viabilidad de su concepto en tres casos industriales, relacionados con procesos químicos (producción de catalizadores), con la autenticación y trazabilidad de documentos y mercancías [v] y con la seguridad alimentaria [vi]. A largo plazo, su objetivo es hacer de la espectroscopía Raman una tecnología generalizada utilizada dentro del concepto Industry Commons.

Miguel A. Bañares, profesor de investigación del CSIC y jefe del grupo de Espectroscopía y Catálisis Industrial del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP), coordinador del proyecto, explica el impacto esperado de CHARISMA:

Se espera que CHARISMA tenga un impacto significativo en una serie de áreas tecnológicas y científicas diferentes, lo que en última instancia conducirá a una mayor confianza de los consumidores y la industria en productos basados en nanomateriales activos en Raman controlados digitalmente, a la caracterización Raman en línea / in situ durante el ciclo de vida de múltiples productos y, en general, a una mayor confianza en la calidad y el rendimiento de productos que involucren nanomateriales.

Contacto: Yordas Group (en inglés, Judith Friesl y Besa Maliqi Syla), ICP-CSIC (Miguel A. Bañares y Raquel Portela).

 Info@h2020charisma.eu

  www.h2020charisma.eu

Referencias 

[i] Confocal Raman Microscopy. Springer Series in Surface Sciences. Editors: J. Toporski, T. Dieing, O. Hollricher. Springer International Publishing 2018, Switzerland.

[ii] 2019 XI™ es el primer espectrómetro Raman del mundo completamente integrado con el smartphone Android  Cloudminds Data A1 https://airaman.com/

[iii] J. A. Griffen, A. W. Owen, D. Andrews, P. Matousek. Recent Advances in Pharmaceutical Analysis Using Transmission Raman Spectroscopy. Spectroscopy 32,4,37–43(2017).

[iv] Li Q, Sun X, Ma X, et al. (2019) A calibration transfer methodology for Standardisation of Raman instruments with different spectral resolutions using Double Digital Projection Slit. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 191: 143–147.

[v] J. J. Romero, V. García-Juez, J. F. Fernández, J. Gamo, Miguel A. Rodríguez, A. Ruiz, I. Lorite. Use of Raman Markers for authenticating security documents. WO2012/164054 (A1) and EP2714419 (B1), US 9196107(B2), CN103635331 (B), JP6009549 (B2), KR101590690 (B1). A. Moure, J. F. Fernández, V. Fuertes, E. Enriquez, V. García-Juez. Raman Markers. EP19382045.3 2019.

[vi] J. F. Fernandez, J. J. Reinosa, A. Moure, J. J. Menendez. “Material compuesto antimicrobiano” (antimicrobial composite material). P201830547 05/06/2018

CHARISMA ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo No 952921.

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