Proyectos de Investigación

El reto de la energía solar. A lo largo de la historia, las mejoras más significativas de la humanidad han estado ligadas a la revolución industrial (RI). Hoy en día, estamos inmersos en la 4ª RI "La era digitalmente disruptiva" donde Europa se encuentra en una transición hacia la neutralidad climática y el liderazgo digital.1 La Industria 5.0 pretende posicionar la investigación y la innovación al servicio de la transición hacia una industria europea sostenible, centrada en el ser humano y resiliente.2 Las tecnologías químicas solares alterarán radicalmente los modelos actuales de producción industrial y de transformación y almacenamiento de energía. Sin embargo, la escala necesaria está a la vista pero aún no se ha alcanzado debido a la falta de tecnologías disponibles de alto rendimiento y bajo coste. SolarChem 5.0 pretende contribuir a la 5ª RI, sentando las bases de la sinergia entre la transición ecológica y digital en el marco de la Química Solar a través de:

"El desarrollo de una tecnología innovadora de Química Solar Digital, para convertir los recursos y contaminantes abundantes en la Tierra en combustibles y productos químicos, llenando el vacío existente entre las tecnologías sostenibles y escalables impulsadas por la energía solar"

Para alcanzar este ambicioso objetivo y teniendo en cuenta la complejidad y la duración del proyecto nuestra estrategia se basa en el diseño de un consorcio interdisciplinar formado por cuatro subproyectos (SP) que incluyen grupos de investigación punteros en disciplinas complementarias como: Química, Ciencia de Materiales, Biocatálisis, Fotoelectroquímica, Inteligencia Artificial (IA), Tecnologías Solares y Caracterización Avanzada. Cada SP incorpora un equipo multidisciplinar compuesto por más de un equipo de investigación de diferentes instituciones de investigación, universidades y/o instalaciones singulares.

Este subproyecto dedicado a fotorreactores (SP3) se concentrará en el diseño conceptual y desarrollo de un reactor solar fotoelectroquímico (PEC) para la selección de la configuración más adecuada para la reacción y el funcionamiento del colector solar. Las actividades de investigación de este SP3 se desarrollarán en el WP5 y serán gestionadas por investigadores de dos instituciones diferentes: PSA-CIEMAT (líder del SP3) e ICMSE-CSIC. La Plataforma Solar de Almería (PSA) es una Gran Instalación Científica Europea y una Infraestructura Científica y Técnica Singular de España (ICTS) con un amplio historial en el diseño, construcción e implementación de reactores solares para reacciones fotoquímicas, junto con instalaciones destacadas. El equipo de la PSA-CIEMAT cuenta también con una amplia experiencia en el uso de programas de trazado de rayos como TONATIUH y SOLTRACE para la caracterización optoenergética de sistemas de concentración solar. Asimismo, dispone de un conjunto de herramientas de simulación solar térmica de desarrollo propio validadas en las diferentes plantas piloto solares de baja y media temperatura disponibles en la PSA. Además, el equipo ICMSE-CSIC participará en el desarrollo de la célula PEC y en la integración de los electrodos.

DropEner tiene como objetivo el desarrollo de paneles de lluvia, es decir, recolectores de energía proveniente de gotas que, basados en el principio del nanogenerador triboeléctrico (TENG), funcionan en condiciones exteriores y pueden fabricarse a través de tecnologías escalables y de alto rendimiento. El proyecto demostrará la aplicación de un concepto innovador patentado recientemente por el grupo Nanotecnología en Superficies y Plasma (CSIC-US), “Tixel”, sobre la recolección de energía cinética proveniente de gotas de líquido en contacto instantáneo con una superficie triboeléctrica integrada en una arquitectura de tipo condensador. Por lo tanto, el principal objetivo es desarrollar un panel de recolección de energía basado en el primer TENG de arquitecturas nano y microestructuradas capaces de generar alta densidad de potencia mediante la implementación de matrices de nanogeneradores triboeléctricos en la microescala, donde cada generador produzca cientos de microvatios de potencia cuando una gota de lluvia con alta velocidad y alta energía golpee su superficie. La potencia de salida total sería equivalente a la suma de la potencia producida por los generadores individuales y podría alcanzar potencialmente cientos de vatios por metro cuadrado cuando se fabrique una matriz de alta densidad bien diseñada. Además, en un paso más allá en el estado del arte para la explotación de captadores de energía de contacto entre sólido-líquido, DropEner persigue el desarrollo de Tixels duraderos y transparentes totalmente compatibles con celdas solares, incluidas las tecnologías de Silicio y de Tercera Generación (como celdas solares de colorantes y celdas solares de perovskita). Los avances esperados abarcan aspectos como el desarrollo de superficies con super-mojabilidad, la explotación de rutas de producción escalables y procesado de materiales, la fabricación de recolectores de energía de gotas transparentes, la prueba de concepto de diseños novedosos de nanogeneradores triboeléctricos y la gestión de energía en sistemas multifuente de recolección de energía intermitente. 

En el presente proyecto de investigación se propone el desarrollo de sistemas fotocatalíticos heteroestructurados (ZnWO₄/ZnO, WO₃/AgBr, WO₃/TiO₂, Bi₂WO₆/TiO₂, ZnBi₂O_4/ZnO, BixTiyOz) acoplados o soportados sobre biocarbones (procedentes de la pirólisis de restos de poda de olivo, cascarilla de arroz y hueso de aceituna y que permiten una vía de revalorización de estos residuos), el estudio de las diferentes variables y métodos de síntesis, su optimización, y su comportamiento fotocatalítico evaluado en la desinfección de aguas y eliminación de contaminantes emergentes. En los últimos años se han estudiado nuevos fotocatalizadores basados en materiales heteroestructurados, donde se desarrollan heterouniones de semiconductores para conseguir una mejor separación espacial de electrones y huecos fotogenerados, obteniendo mayores tiempos de vida de estos portadores, aumentando así la eficiencia de los sistemas. Aunque estos materiales han mostrado buena actividad fotocatalítica en diferentes sustratos estudiados, generalmente presentan valores de superficie específica moderados o bajos, y algunos tienen problemas de estabilidad tras pocos ciclos de reacción.
El proyecto propone el acoplamiento o soporte de estos fotocatalizadores heteroestructurados con biocarbones de diferentes características, con el objetivo de dotarlos de mayor área superficial y aumentar su eficacia y estabilidad para sus aplicaciones como fotocatalizadores; mejorando la capacidad de absorción, estrechando el bad-gap donde el biocarbón puede actuar como fotosensibilizador, mejorando el transporte de electrones, permitiendo una mejor separación de los portadores fotogenerados prolongando su vida útil y proporcionando estabilización y fotoestabilización a los sistemas.
Los biocarbones son materiales ricos en carbono que se obtienen mediante la calcinación de la biomasa en ausencia de oxígeno (pirólisis) y presentan interesantes propiedades, como gran área superficial y alta porosidad, y pueden ser modulados, mediante el control de las condiciones de operación, para obtener la cantidad y el tipo de grupos funcionales deseados en la superficie, hidrofobicidad o hidrofilicidad o diferentes pH superficial.
Los objetivos del proyecto incluyen la caracterización físico-química completa y la optimización de los fotocatalizadores
heteroestructurados/biocarbón para las aplicaciones propuestas bajo diferentes condiciones de operación, como iluminación solar o visible. Se evaluará la eficacia de cada sistema en la eliminación de contaminantes emergentes (antibióticos) y en la inactivación de microorganismos potencialmente patógenos habitualmente presentes en aguas.
La presencia de microorganismos patógenos en las aguas es un tema de especial preocupación debido al riesgo potencial de transmisión de enfermedades y, en consecuencia, es necesario el control microbiano en las aguas. Asimismo, los productos farmacéuticos y de higiene son ampliamente usados hoy en día, llegando hasta las aguas. Sus potenciales efectos adversos sobre la salud humana han llevado a catalogarlos como contaminantes ambientales relevantes de la clase de contaminantes emergentes El proyecto se aborda desde un punto de vista interdisciplinar y en el contexto de la economía circular, revalorizando un residuo (biomasa) para desarrollar fotocatalizadores que den solución a un problema (descontaminación y desinfección de aguas) mediante procesos respetuosos con el medio ambiente (fotocatálisis heterogénea).

El objetivo general de este proyecto es el desarrollo de nuevos agentes de contraste (CAs) para mejorar el diagnóstico médico mediante el uso de dos técnicas avanzadas de imagen como la resonancia magnética (MRI) y la imagen luminiscente. Específicamente, se planea desarrollar CAs de MRI duales (T1-T2) y sondas con luminiscencia persistente (PersL). La obtención de dos imágenes de resonancia (denominadas imagen promediada en T1 y en T2) es muy útil pues ayuda a eliminar falsos positivos mediante la validación cruzada de ambas. La ventaja de los agentes de contraste de MRI duales frente a los simples es que un único agente permite obtener los dos tipos de imágenes, evitando así la exposición del paciente a dos agentes externos. Por su parte, el empleo de sondas con PersL para la obtención de imagen luminiscente permite mejorar notablemente la relación señal ruido de la imagen puesto que, al irradiar la sonda fuera del organismo, se evita la autofluorescencia de los tejidos biológicos. Además, la eliminación de la irradiación directa (normalmente luz ultravioleta) evita daños a dichos tejidos. Ambos tipos de CAs (MRI y PersL) consistirán en nanopartículas (NPs) uniformes de diversas matrices inorgánicas cuidadosamente seleccionadas basadas en cationes lantánidos, cuyas propiedades magnéticas y luminiscentes los hacen ideales para las aplicaciones perseguidas. En cuanto a los CAs de MRI, se abordarán dos tipos de arquitecturas consistentes en NPs de fase única, donde los lantánidos activos en T2 (Dy3+) y en T1 (Gd3+ o Mn2+) se encuentran en disolución sólida, y NPs con arquitectura core-shell, donde los iones T2 se localizan en el núcleo y los T1, en la corteza. En ambos casos, se ensayarán matrices de fosfato, vanadato y molibdato, que han mostrado ser adecuadas en el caso de CAs de MRI simples. Por su parte, en el caso de las sondas para imagen luminiscente se planea sintetizar, en forma de NPs uniformes, diversos compuestos que han mostrado excelente luminiscencia persistente pero que hasta el momento solo se han fabricado en forma másica, no adecuada para aplicaciones biomédicas. Concretamente se abordarán diversas matrices de germanato y galato dopadas con iones lantánidos (Pr3+, Yb3+) que emiten luz infrarroja dentro de las ventanas biológicas, donde la radiación no es absorbida por los tejidos biológicos, aumentando así su capacidad de penetración y facilitando por tanto la obtención de la bioimagen. Ambos tipos de NPs (CAs duales T1-T2 y NPs con PersL) serán sometidas a procesos de funcionalización y bioconjugación para para dotarlas de estabilidad coloidal y de capacidad de reconocimiento de tumores específicos. Se analizará asimismo su biocompatibilidad mediante el análisis de la citotoxicidad y, finalmente, los CAs óptimos se aplicarán en la obtención de imagen de resonancia magnética e imagen luminiscente, in vitro e in vivo, utilizando ratones como modelo. El equipo investigador posee sobrada experiencia en la síntesis de NPs inorgánicas basadas en elementos lantánidos y dispone de la mayoría de los medios necesarios para su caracterización morfológica, estructural y química, así como para el estudio de sus propiedades luminiscentes. Además, dicho equipo cuenta con el apoyo de investigadores de otras instituciones que colaborarán en el desarrollo de algunas tareas del proyecto relacionadas con los estudios de bioconjugación, biocompatibilidad y registro de imagen, lo que garantiza el correcto desarrollo del mismo.