Proyectos de Investigación

CLEVER-BIO propone un concepto revolucionario para la producción de biocombustibles limitando la emisión de gases de efecto invernadero sembrando las bases de una tecnología verde: conversión de residuos a combustibles y productos de alto valor. La idea central de CLEVER-BIO es el Desarrollo de catalizadores avanzados para llevar a cabo la reacción de HDO de bio-aceites derivados de lignina. El proyecto se llevara a cabo en 24 meses y comprende un programa intenso de investigación multidisciplinar con fuerte participación de instituciones internacionales.

El objetivo principal de este proyecto es el desarrollo de catalizadores heteroestructurados basados en óxidos semiconductores altamente eficientes (Nb2O5, WO3, TiO2 y Fe2O3) y g-C3N4, con control a nivel de la nanoescala, y potencial aplicación en la reacción de fotoreformado de alcoholes para la producción de H2.  Así mismo, se pretende estudiar la optimización del proceso catalítico mediante una aproximación multi-catalítica, mediante la combinación de termocatálisis y fotocatálisis. La producción fotocatalítica de H2 una reacción de gran interés desde el punto de vista energético mediante el uso de una tecnología limpia y sostenible como la fotocatálisis. En este proyecto se pretende el desarrollo de sistemas altamente eficientes para la producción de hidrógeno. Se prestará especial atención al diseño de heteroestructuras que permitan la optimización del proceso fotoinducido. De igual modo se incidirá en el uso de co-catalizadores alternativos a los tradicionales metales nobles; sistemas basados en metales de transición (Cu, Co, Ni), así como estructuras bimetálicas con metales nobles formado aleaciones o core-shell. Junto al proceso fotocatalítico en fase líquida, se estudiará la viabilidad de un proceso de fotoreformado en fase gas, basándonos en recientes estudios que ponen de manifiesto el efecto sinérgico de una aproximación foto-termo catalítica en estos procesos. De esta forma esta propuesta pretende abordar de forma ambiciosa el aumento de la eficiencia del proceso fotocatalítico a fin de poder plantear esta tecnología a mayor escala. En este sentido, además de los estudios de optimización de los catalizadores y del proceso fotocatalítico, se afrontará como algo primordial su escalado a planta solar piloto. 

El desarrollo de los nanomateriales y materiales funcionales, así como sus aplicaciones nanotecnológicas, vienen determinados por las capacidades actuales para la caracterización de la microestructura, la composición y las propiedades de los materiales en la nano-escala. El proyecto propone potenciar una investigación de frontera en la caracterización microestructural de materiales. Se integrarán las técnicas nanoscópicas y espectroscópicas, ligadas a la microscopía electrónica (sonda de electrones), con las técnicas asociadas a las sondas de fotones (rayos-X) y de haces de iones (técnicas IBA en general). La caracterización se asociará a materiales funcionales seleccionados de alto interés actual en la temática de recubrimientos y láminas delgadas en las que el equipo de trabajo es experto.

Será objetivo central el desarrollo y aplicación de manera integrada de las técnicas disponibles con múltiples sondas, tanto en el ICMS, como en otros centros de las Universidades de Sevilla (CITIUS, CNA) y Cádiz (servicios centrales). Igualmente a través de colaboraciones y solicitudes de medidas se tendrá acceso a otras instalaciones internacionales.

En el proyecto se dispondrá de materiales seleccionados en dos tecnologías emergentes: i) Láminas delgadas y recubrimientos nanoporosos que estabilizan gases a ultra-alta densidad y presión. ii) Catalizadores para los procesos de almacenamiento y generación de hidrógeno en líquidos orgánicos portadores de hidrógeno (LOHCs). La caracterización avanzada que se propone contribuirá a la comprensión fundamental de las relaciones síntesis-microestructura-propiedades con el objetivo de alcanzar un diseño racional de nuevos materiales funcionales en las líneas seleccionadas. El proyecto incide directamente en las tecnologías facilitadoras o emergentes como son “la nanotecnología” y “los materiales avanzados”. Incide también en los retos sociales y objetivos RIS3 de Andalucía en relación al almacenamiento de energías renovables.

España es uno de los países europeos con mayor irradiación solar media y lider mundial en implantación de Energía Solar Concentrada (CSP). Una ventaja de la tecnología CSP es su capacidad de almacenar energía térmica y usarla cuando no hay irradiación. La plantas CSP de última generación incluyen sistemas de almacenamiento en sales fundidas (calor sensible) que pesentan limitaciones: temperatura máxima limitada por degradación térmica, almacenaje a alta temperatura para evitar solidificación, corrosión y coste. En nuestro proyecto CTQ2017 se investigó el almacenamiento termoquímico mediante reacciones de calcinación/carbonatación, proceso calcium-lopping (CaL), usando caliza natural, que es abundante, barata, no corrosiva y permite operar a alta temperatura aumentando la eficiencia de conversión termoeléctrica. Su densidad energética (~1 MWhr/m3) es superior al de las sales (0.25-0.40 MWhr/m3). Un problema del CaL para almacenamiento termoquímico es la desactivación del CaO con el número de ciclos. En nuestro proyecto CTQ2017 se propusieron diversas estrategias de mejora con las que se consiguieron rendimientos muy altos incluso después de muchos ciclos: (i) cambio de condiciones de calcinación-carbonatación (reducción de la temperatura de calcinación e incrementar la de carbonatación para mejorar el rendimiento tanto del proceso como de la planta) y (ii) propuesta de otros carbonatos diferentes de la caliza, uso de aditivos, uso de residuos (escorias) y materiales sintéticos de bajo coste. Estos resultados de laboratorio son de extraordinario interés para su aplicación a plantas de CSP, pero para su transferencia se requiere de validación en entorno relevante. En este proyecto se propone escalar los resultados de laboratorio mediante ensayos en planta piloto, el desarrollo y ensayo de un nuevo calcinador solar, así como la evaluación de la viabilidad técnico-económica de la tecnología a escala industrial. En este proyecto se desarrollará una prueba de concepto de un novedoso reactor/intercambiador de calor de tipo ciclón basado en energía solar. La radiación solar concentrada alcanzará el calcinador solar tipo ciclón mediante un sistema beam-down (concentrador solar secundario) desde el campo solar, formado por 14 heliostatos con una superficie total de 30 m2 de la planta piloto construida en el marco del proyecto H2020 SOCRATCES, en el que han participado la mayor parte de los miembros del equipo de investigación del proyecto coordinado. El estudio y desarrollo de esta prueba de concepto permitirá establecer la viabilidad del diseño y demostrar su interés a empresas del sector energético y del cemento de cara a una futura integración de energía solar, en busca de una reducción de costes y emisiones de CO2. Se parte de estudios a nivel de concepto desarrollados en el proyecto CTQ2017 con nivel de madurez tecnológica TRL 4, y se estima que se avanzará hasta niveles TRL 5-6. Se realizará un análisis de la viabilidad económica de la implantación de los nuevos conceptos propuestos en el marco del proyecto CTQ2017 y se elaborará un plan de transferencia. Este plan recogerá las acciones a llevar a cabo para favorecer una transferencia efectiva al sector industrial. Además, dado el potencial de patentabilidad de la tecnología objeto del proyecto, una vez probada en escala relevante (prueba de concepto), se desarrollará un plan de explotación y protección de derechos intelectuales.

El presente proyecto forma parte del proyecto coordinado ENERCATH2 que pretende integrar una estrategia que involucra múltiples reacciones para la producción y uso de hidrogeno verde a partir de la biomasa. El objetivo último es contribuir al desarrollo de tecnologías energéticas sostenibles que sustituyan a las actuales, derivadas de las fuentes fósiles. Específicamente, el proyecto del ICMS se centra en el uso del ácido fórmico como vector energético de hidrógeno, dado que es un compuesto químico líquido con una alta densidad gravimétrica de energía, que puede ser almacenado, transportado y manipulado de manera segura usando la infraestructura existente de distribución de hidrocarburos.

El objetivo principal del proyecto es la generación de ácido fórmico a partir de biomasa lignocelulósica y la posterior obtención de corrientes de hidrógeno a partir de éste. Para este fin, se pretende desarrollar catalizadores novedosos, preferiblemente basados en carbones derivados de la biomasa y/o en metales de transición, no nobles, (V, Ni, Cu, Co, etc.), activos, selectivos y estables, para: i) la oxidación directa y selectiva de la biomasa lignocelulósica, e.g. glucosa, bien hacia la producción masiva de ácido fórmico, bien hacia la producción de una mezcla de ácido fórmico con otros co-productos, tales como el ácido levulínico, que pueden servir como punto de partida para la generación de productos plataforma de interés industrial, intermedios en la producción de combustibles y ii) la deshidrogenación de ácido fórmico, tanto en fase líquida como gaseosa, para la producción de corrientes de hidrógeno libres de CO.

Los catalizadores preparados serán caracterizados estructural y químicamente por una gran variedad de técnicas (DRX, XPS, SEM, HRTEM, Raman, DRIFTS, TPR/TPD, UV-Vis, Análisis textural), tanto pre- como post-reacción, para evaluar las posibles modificaciones ocurridas en el transcurso de la misma. Igualmente, se realizarán estudios en condiciones de reacción (in-situ y operando) por espectroscopias DRIFTS y ATR, lo que, junto con los resultados de actividad y de caracterización, permitirá analizar el mecanismo de las reacciones y así poder establecer la relación estructura-actividad en cada caso. El conocimiento de esta relación permitirá optimizar el catalizador diseñado y, en última instancia, cada proceso catalítico de producción de vectores sostenibles de energía propuesto en el proyecto

La motivación del proyecto FreeDot es triple. Primero, proponer soluciones a los inconvenientes específicos que obstaculizan un mayor desarrollo de la tecnología optoelectrónica de perovskita (inestabilidad, durabilidad, sensibilidad ambiental, etc.). La aproximación propuesta se basa en el desarrollo de células solares nanoestructuradas y LED basados en nuevas matrices porosas que permiten la síntesis de ensamblados de nanocristales sin ligandos con buenas propiedades de transporte de carga y, simultáneamente, minimizan su exposición a entornos degradantes. En segundo lugar, demostrar que es posible, también en el caso de dispositivos basados en puntos cuánticos, mejorar la eficiencia de conversión de energía en células solares y de extracción de luz en LEDs mediante la optimización del diseño óptico. Por último, la posibilidad de obtener nanocristales libres de ligandos abre la posibilidad de estudiar las propiedades fotofísicas fundamentales de los puntos cuánticos, lo que normalmente es obstaculizado por la presencia de capas orgánicas en el caso de puntos cuánticos coloidales.

La necesidad de propiciar una transición efectiva desde una economía basada en el uso intensivo de combustibles fósiles a otra donde los criterios de desarrollo se basen en procesos sostenibles que no impliquen la generación de CO2 hace necesaria la puesta a punto de nuevos procesos, donde la fuente de energía primaria sea la electricidad generada a partir de fuentes renovables. El proyecto “Plasmas Atmosféricos de Arco Deslizante para Procesos Sostenibles”, FIREBOW en adelante, pretende el desarrollo de tecnologías de plasma atmosférico que usan la electricidad como vector energético directo para llevar a cabo procesos químicos convencionalmente abordados mediante técnicas catalíticas (a altas presiones y temperaturas, con bajos rendimientos y obtención de subproductos no deseados). En concreto se persigue la puesta a punto de un reactor de Plasma Atmosférico de Arco Deslizante (PAAD) para inducir tres procesos de gran impacto industrial y medioambiental, como son la síntesis de amoniaco (NH3), la producción de hidrógeno (H2) y la descontaminación de agua. El amoniaco es la sustancia base de los fertilizantes usados en agricultura, y su demanda aumenta conforme las necesidades de alimentación mundiales. En cuanto al hidrógeno, es conocido que el camino hacia una economía basada en dicho combustible es uno de los retos del siglo XXI. Por otro lado, el desarrollo de técnicas novedosas para la depuración de aguas es cada vez más necesaria, debido al aumento de contaminante emergentes, sustancias tales como pesticidas, compuestos derivados de la industria farmacéutica y química, microorganismos e incluso productos de higiene personal que los métodos convencionales no son capaces de eliminar en su totalidad. FIREBOW propone, en una primera etapa, desarrollar la tecnología PAAD mediante el diseño, construcción, modelización y puesta a punto de un reactor de arco deslizante. Se explorarán posibles modificaciones sobre los modelos de reactores PAAD actuales, contemplándose el efecto de la incorporación de materiales piezoeléctricos para inducir fenómenos de emisión secundaria de electrones, la modificación de las características superficiales de los electrodos o la geometría del sistema a fin de propiciar en el futuro una mejora en el rendimiento de los procesos estudiados. La complejidad de los procesos básicos involucrados en este tipo de reactores implicará un estudio fundamental de su respuesta eléctrica y de los fenómenos de transporte de masa y carga, así como una caracterización exhaustiva y diagnosis del plasma en función de parámetros como flujo de gases, interacción entre especies excitadas, tiempo de residencia y otros parámetros básicos de operación. Tanto la caracterización experimental como la simulación teórica del reactor, esta última llevada a cabo mediante métodos computacionales, serán fundamentales para su correcto funcionamiento y optimización de los procesos propuestos. En una segunda etapa se abordará el estudio de las reacciones de obtención de H2 y NH3, con el objetivo de maximizar el rendimiento energético de dichos procesos, así como de la purificación de agua. El desarrollo científico-tecnológico propuesto en FIREBOW es de gran interés para diferentes actores socio-económicos, planteándose actividades de transferencia a las empresas y entidades que ya han mostrado su interés en el desarrollo de mismo.