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Proyectos : Filtros

Procesado y caracterización microestructural, mecánica y eléctrica de compuestos cerámica-grafeno




Investigador Principal: Angela Gallardo López (UEI) / Rosalía Poyato Galán
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2015-67889-P
Componentes: Antonio Muñoz Bernabé, Felipe Gutiérrez Mora, Ana Morales Rodríguez

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En la actualidad se plantean interesantes expectativas sobre los compuestos cerámica/grafeno, propuestos para aplicaciones en catálisis, almacenamiento y conversión de energía, protección del medio ambiente y biotecnología. Pero aún se requieren importantes esfuerzos para dar respuesta a cuestiones abiertas. Hay que incidir en aspectos como la resistencia a la cizalla de las intercaras cerámica-grafeno -esencial para asegurar la transferencia de carga efectiva sobre las láminas de grafeno-, la distribución homogénea del grafeno en la matriz cerámica y la relación de tamaños entre matriz y refuerzo, para maximizar el aumento de tenacidad y de conductividad eléctrica, así como también explorar sus propiedades mecánicas a alta temperatura.
En este proyecto se plantea un estudio sistemático de compuestos de matrices cerámicas con grafeno, desde la fabricación hasta la caracterización microestructural, mecánica y eléctrica, con el objetivo de mejorar la comprensión de los mecanismos que controlan estas propiedades al incorporar nanoestructuras de grafeno a una matriz cerámica. Se procesarán compuestos de dos matrices cerámicas diferentes, de alúmina y de circona tetragonal dopada con óxido de itrio (3YTZP), con grafeno mediante técnicas coloidales, prestando especial atención a la dispersión del grafeno en la matriz cerámica, aspecto no exento de dificultades y que es clave para conseguir la mejora de las propiedades. La sinterización se realizará en un horno de descarga de plasma (SPS, spark plasma sintering) de última generación, optimizando las condiciones para conseguir compuestos densos y de tamaño de grano nanométrico. Para el análisis microestructural se utilizarán técnicas como la difracción de rayos X, la espectroscopía Raman, y la microscopía electrónica de barrido y transmisión. Con ellas se evaluarán las fases cristalográficas presentes, el tamaño de grano, la distribución de las nanoestructuras de grafeno, etc.
Desde el punto de vista del diseño de materiales avanzados, es fundamental investigar la relación entre microestructura y propiedades mecánicas y eléctricas. Las propiedades mecánicas a temperatura ambiente (dureza, tenacidad a la fractura y resistencia a flexión) se abordarán mediante indentación y ensayos de flexión, a escalas macro y microscópica. A alta temperatura, se estudiará la deformación plástica de los compuestos cerámica-grafeno mediante ensayos de fluencia en atmósferas controladas. También se estudiará el comportamiento tribológico de los compuestos y se evaluará su conductividad eléctrica, una de las propiedades más interesantes ya que se modifica de forma notoria como resultado de la incorporación del grafeno a estos sistemas cerámicos. La respuesta eléctrica se analizará en un amplio rango de temperaturas, bien mediante espectroscopía de impedancia compleja, bien mediante medidas de conductividad en corriente continua en el caso de los compuestos menos resistivos. 


Recubrimientos para aplicaciones en energía y alta temperatura




Investigador Principal: Juan Carlos Sánchez López
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2015-65539-P
Componentes: Iñigo Braceras Izaguirre (INASMET), Teresa Cristina Rojas Ruiz, Maria Belinda Sigüenza Carballo

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La protección de las superficies frente a la temperatura, los fenómenos de oxidación o el desgaste ha logrado un progreso substancial mediante el desarrollo de nuevos materiales y recubrimientos con propiedades mejoradas tales como dureza extrema, baja fricción y tasas de desgaste, elevada resistencia ante la temperatura y la oxidación. Estas mejoras suponen un enorme ahorro de energía y reducción de costes debido a la vida media de los componentes mecánicos sin necesidad de sustitución, así como, a una reducción del impacto medioambiental. Este campo de investigación tiene una profunda repercusión en una gran variedad de sectores industriales (energía, herramientas de mecanizado, automoción, aeronáutico, metalurgia, etc.). El reto para la mayoría de estos procesos de funcionalización superficial residen en un control estricto de la micro y nanoestructura de la superficie y de las intercaras que hagan posible la aparición de nuevas propiedades y aplicaciones que la nanotecnología ofrece.

En este proyecto, se prepararán recubrimientos nanoestructurados para la protección de componentes sometidos a altas temperaturas y ambientes agresivos buscando un comportamiento mejorado. Este objetivo será abordado para tres diferentes aplicaciones que contribuirían a procesos energéticos más eficientes, energías renovables y soluciones para disminuir el impacto medioambiental. Basándonos en el sistema Cr-Al-N, se depositarán diferentes recubrimientos mediante la técnica de pulverización catódica reactiva cambiando la composición química (contenido en metal, incorporación de dopantes tales como Y o Si); microestructura; distribución de fases; arquitectura (multicapa/nanocomposite) o estructuras más complejas (tándem, multicapa en gradiente) sobre los sustratos apropiados dependiendo de la aplicación prevista: a) resistencia a la oxidación a alta temperatura (hasta 1000ºC) para herramientas; b) absorbedores solares selectivos estables térmicamente a medias (300-500ºC) y alta temperatura (>600ºC); resistencia a la corrosión para componentes en turbinas de vapor supercríticos (650ºC/100% vapor).

La investigación sobre los mecanismos de oxidación, transformaciones de fases, modificaciones estructurales, etc. serán objeto de un estudio detallado sobre los sustratos definidos para lograr un conocimiento fundamental sobre los procesos de degradación y los efectos protectores. El establecimiento de correlaciones entre las propiedades iniciales y el comportamiento funcional permitirá una mejor comprensión de los mecanismos de protección y por ende, una optimización de tales sistemas en forma de recubrimientos nanoestructurados para las aplicaciones previstas.

 

Palabras clave: Recubrimientos, alta temperatura, resistencia oxidación, corrosión, nanoestructurado, energía, absorbedor solar, multicapas


Sistemas Catalíticos Estructurados para la Producción de Biocombustible




Investigador Principal: José Antonio Odriozola Gordón
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: ENE2015-66975-C3-2-R
Componentes: María Isabel Domínguez Leal, Anna Dimitrova Penkova, Francisca Romero Sarria

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La dependencia de nuestro actual sistema energético de las fuentes de combustibles fósiles y sus adversos efectos medioambientales están potenciando el desarrollo de fuentes de energía de origen renovable. Este es el caso de los biocombustibles de segunda generación. Los procesos de producción de combustibles a partir de biomasa lignocelulósica y residuos orgánicos son habitualmente catalíticos y se caracterizan por la necesidad de un intenso intercambio de calor asociado al elevado efecto térmico de las reacciones químicas implicadas, dificultad para minimizar simultáneamente las limitaciones difusionales y la caída de presión en los reactores convencionales de lecho fijo y, en ocasiones, por necesitar tiempos de contacto extremadamente cortos. Todo ello hace que las tecnologías catalíticas convencionales trabajen en condiciones no óptimas.

Los sistemas catalíticos estructurados, catalizadores estructurados y reactores de microcanales ofrecen excelentes oportunidades para superar estas limitaciones ya que permiten minimizar simultáneamente las limitaciones difusionales y la caída de presión, mejorar los flujos radiales de calor y materia y permitir tiempos de contacto muy cortos con elevadas eficiencias. Los monolitos de canales paralelos longitudinales, las espumas de porosidad abierta y las mallas metálicas son sustratos que pueden fabricarse a partir de numerosas aleaciones metálicas y con diferentes densidades de celda o poro. También pueden ser recubiertas de cualquier catalizador de interés, adaptándose así a los diferentes requerimientos de cada proceso. Por otro lado, los reactores de microcanales pueden proporcionar una intensificación del proceso sin igual que va acompañada de un excelente control de la temperatura, de la calidad de producto y con mejoras sustanciales en la seguridad del proceso.

El objetivo del proyecto es estudiar sistemas catalíticos estructurados para la producción de energía de origen renovable. En concreto, se estudiarán la síntesis de Fischer-Tropsch, la síntesis directa de dimetiléter y la producción del gas de síntesis que alimentará estos procesos mediante reformado de biogás y "producer gas".Además se estudiará la reacción de desplazamiento del gas de agua que resulta clave para el ajuste de la relación H2/CO en el gas de síntesis.

Se hará especial hincapié en la influencia de las características térmicas de los sistemas estructurados en su comportamiento catalítico. Para ello se estudiará el efecto de la densidad de celdas en monolitos, densidad de poros en espumas, luz de malla en mallas apiladas, tipo de aleación metálica, espesor del recubrimiento catalítico y geometría del sustrato (incluyendo en algunos casos reactores de microcanales).Se considerarán como fases activas catalizadores muy próximos al estado del arte.

El desarrollo de estos estudios se hará con el apoyo de tres tareas transversales lideradas por cada uno de los tres grupos participantes, pero en las que participarán todos ellos: la preparación de los sistemas catalíticos estructurados, la caracterización mediante técnicas avanzadas y los estudios de modelado y simulación. Mediante este proyecto se pretende generar un conocimiento que contribuya a expandir el actual campo de aplicación de los sistemas catalíticos estructurados hacia aplicaciones energéticas sostenibles que se verían beneficiadas por las ventajas que ofrecen estos sistemas en línea con el reto Energía segura, eficiente y limpia.


Tratamiento sostenible de residuos industriales: Materiales adsorbentes de diseño y bionanocomposites en la inmovilization de metales pesados y productos de fision




Investigador Principal: Maria Dolores Alba Carranza
Periodo: 01-01-2016 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2015-63929-R
Componentes: Miguel Angel Castro Arroyo, Ana Carmen Perdigón Aller, María del Mar Orta Cuevas

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El Proyecto de investigación que se presenta aborda la exigencia tecnológica y medioambiental de desarrollar metodologías avanzadas para la eliminación de agentes contaminantes. El interés y los esfuerzos encaminados al desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a tratamientos más eficientes en la inmovilización y revalorización de los residuos peligrosos es creciente en los planes de I+D+i. El objetivo central del proyecto se basa en el diseño de una estrategia de funcionalización de silicatos laminares de alta carga expansibles y en la síntesis de bionanocomposites a partir de ellos para conseguir una actividad eficaz respecto de la inmovilización de residuos tóxicos y peligrosos, catiónicos y aniónicos. Este objetivo es un cambio cualitativo en el trabajo que se viene desarrollando en el diseño de sistemas modelos adsorbentes con aplicaciones medioambientales de clara repercusión en la mejora de la calidad de vida de la población y conservación del medioambiente, ya que la funcionalización de diseño de los silicatos sintéticos permitirá la adsorción de un amplio abanico de adsorbentes en estado de oxidación aniónico-catiónico. La finalidad y objetivos del proyecto se centran en la Focus Area WASTE de H2020 y esta Focus Area se desarrolla dentro del reto 2 y 5 de H2020 y dentro del Reto 5 y 3 de los Planes Estatales de Investigación.

El proyecto ha despertado el interés de diversas empresas observadoras, EPOs, (ENRESA  y la Agencia de la Energía y para la Sostenibilidad del Ayuntamiento de Sevilla ) impulsando la colaboración público-privada. Por tanto, la investigación desarrollada auna los principios básicos de la estrategia estatal de Ciencia y Tecnología: Poner la I+D+I al servicio de la ciudadanía, del bienestar social y de un desarrollo sostenible, hacer de la I+D+I un factor de mejora de la competitividad empresarial (transferencia de los resultados al sector privado, ver interes de los EPOs) y reconocer y promover la I+D como un elemento esencial para la generación de nuevos conocimientos de excelencia.

La viabilidad de la propuesta se garantiza porque el equipo de investigación, EI, por un lado, ha desarrollado con éxito la síntesis de silicatos laminares hidratables de alta carga, a través de un método novedoso que permite ajustar la carga deseada para el material, y, por otro, ha conseguido exitosamente su organofuncionalización (patente ES2362597B1). Además, ha desarrollado la metodología necesaria para el correcto progreso de este proyecto, en estrecha colaboración con otros Grupos de investigación internacionales de reconocido prestigio (e.g. CNRS-Universidad de Lille, Universidad de Cambridge...). Además el EI ha demostrado que potencia la agrupación de las capacidades y competencias científico-técnicas esenciales para abordar esta propuesta de marcado caracter transversal.

 


Válvulas de espín orgánicas e híbridas orgánica-inorgánicas en nanofibras soportadas, producidas por técnicas avanzadas de deposición en vacío y asistidas por plasma




Investigador Principal: Víctor López-Flores
Periodo: 01-10-2015 / 30-09-2017
Organismo Financiador: Junta de Andalucia
Código: TAPOST-234
Componentes: Supervisor: Ana Borrás Martos. Componentes: Angel Barranco Quero, Francisco Aparicio, Juan Ramón Sánchez Valencia

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La transición a la electrónica orgánica requiere de nuevos elementos en la escala nanométrica compuestos por materiales orgánicos, lo que proporciona dispositivos flexibles, transparentes y baratos. Entre los dispositivos electrónicos, las válvulas de espín han destacado por su rápida transición desde la fase experimental a los productos de uso común, pero aún no se ha fabricado una válvula de espín orgánica que sea fiable. El objetivo científico de este proyecto es llenar ese vacío. Mediante el uso de métodos nanotecnológicos avanzados y escalables industrialmente, pretendemos producir una válvula de espín híbrida orgánica-inorgánica, y puramente orgánica en la forma de una nanofibra soportada de 200 nm de grosor y varias micras de longitud, con la multicapa de la válvula de espín depositada concéntricamente. Las técnicas de fabricación principales seran la deposición física en fase vapor de materiales orgánicos (O-PVD), la deposición química en fase vapor asistida por plasma (PE-CVD), y la deposición en vacío asistida por plasma remoto (RPAVD). Las medidas de magnetoresistencia se efectuarán por microscopía de fuerza atómica con sonda conductora (CP-AFM), que dará la medida definitiva de la calidad de la muestra producida.

El proyecto se desarrollará en el gripo Nanotecnología en Superficies (NanoOnSurf) del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, localizado en el centro de investigación multidisciplinar CicCartuja (Sevilla, España). Las técnicas de síntesis y cartacterización más avanzadas, desarrolladas dentro del grupo de investigación serán la clave para el éxito de este proyecto.

Este proyecto está directamente relacionado con el Programa de Trabajo Horizonte 2020, capítulo 5.i (2014-2015), acción ICT3 – 2014: “Tecnologías avanzadas en electrónica delgada, orgánica y de gran área”, y por tanto se espera un gran impacto del mismo en el futuro de la industria electrónica europea.


PhoLED – Nanoestructuras fotónicas para dispositivos emisores de luz




Investigador Principal: Hernán Míguez García
Periodo: 1-09-2015 / 31-08-2017
Organismo Financiador: Unión Europea
Código: EU144490_01 Marie Curie Actions
Componentes: Dongling Geng

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Este proyecto ha recibido financiación del Programa H2020 de la Unión Europea para la investigación, desarrollo tecnológico y demostración en virtud del acuerdo de subvención número 657434.

El proyecto PHOLED pretende superar en gran medida el rendimiento óptico de los emisores de luz concebidos para aplicaciones de iluminación que existen en el mercado actualmente, y contribuir a resolver algunas de las principales limitaciones técnicas que presenta la tecnología actual. Este proyecto tiene como objetivo la integración de nanoestructuras novedosas y emisores ópticos, tales como puntos cuánticos coloidales o nanofósforos, para producir la próxima generación de dispositivos emisores de luz en los que se dispondrá de un control espectral y angular completo sobre las propiedades de emisión. El enfoque se centra en el desarrollo de: i) nuevas rutas de síntesis para lograr nanofósforos eficientes, y ii) estrategias de preparación y transformación, basadas en texturas superficiales y dispersores coloidales, para alcanzar nanoestructuras ópticas de gran área que posean propiedades fotónicas que permitan un control preciso sobre la intensidad, la distribución angular y la calidad del color de la emisión de luz. Los resultados obtenidos en este proyecto proporcionarán un avance significativo tanto en la comprensión de fenómenos fundamentales, como en el desarrollo de dispositivos de iluminación de estado sólido versátiles de eficiencia optimizada, con el objetivo de superar los obstáculos técnicos y maximizar el rendimiento. El resultado del proyecto es doble: una expansión sustancial de la preparación de nanoestructuras ópticos para controlar la interacción luz-materia, y la realización práctica de dispositivos emisores de luz nanoestructurados con propiedades sin precedentes.


Nanoestructuras Fotónicas para Dispositivos Emisores de Luz más Eficientes y Versátiles




Investigador Principal: Hernán Míguez García
Periodo: 1-08-2015 / 31-07-2016
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: EUIN2015-62411
Componentes:

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La solicitud está dirigida a conseguir financiación para la preparación de una propuesta a la convocatoria Starting Grant-2016 impulsada por el European Research Council (ERC). El proyecto que se preparará y presentará a dicha convocatoria tiene como título: Nanoestructuras fotónicas para dispositivos emisores de luz más eficientes y versátiles (NanoLED) y persigue mejorar la respuesta óptica de emisores empleados en aplicaciones relacionadas con la iluminación. NanoLED pretende desarrollar nuevos materiales ópticos, que estructurados en la escala de la radiación visible, permitan controlar la emisión de fuentes de luz tales como puntos cuánticos, moléculas de colorante o nanofósforos entre otros, con una precisión sin precedentes. Se combinarán dichos emisores con materiales desarrollados ad hoc tales como materiales corrugados en superficie o materiales que integren elementos dispersores coloidales en volumen fabricados mediante técnicas de fabricación basadas en procesado en solución. La propuesta también persigue investigar la integración de tales materiales nanoestructurados en dispositivos en los que sea posible alcanzar un control fino sobre las propiedades de color y la distribución angular de la luz emitida. Los resultados obtenidos en el proyecto se espera que sienten las bases para el desarrollo de dispositos de iluminación de nueva generación que hagan un uso más efectivo de la luz emitida. Los objetivos perseguidos en la propuesta representan un paso adelante en la comprensión de fenómenos fundamentales relacionados con la interacción entre la luz y los materiales nanoestructurados, así como con en el desarrollo de dispositivos de iluminación de estado sólido versátiles y más eficientes.


Aplicación de técnicas avanzadas de microscopía electrónica para la caracterización de recubrimientos nano-estructurados para aplicaciones en energías limpias




Investigador Principal: Ana María Beltrán Custodio
Periodo: 01-03-2015 / 28-02-2017
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: TAHUB-050. Programa Talent HUB
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Este proyecto se centra en la generación y almacenamiento de hidrógeno con el objetivo de producir hidrógeno para energías limpias. Esto sucede durante una reacción exotérmica en la que es necesaria la presencia de un catalizador para que se lleve a cabo en condiciones de seguridad. Los catalizados basados en metales nobles son buenos candidatos para este objetivo (cobalto, cobre…). Aquí, los sistemas completos catalizador-soporte son estudiados. Estos sistemas son crecidos mediante técnicas de pulverización catódica (“magnetron sputtering”). La estructura y la composición son estudiadas a escala nanométrica mediante técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión-barrido (STEM), como la microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM), imágenes adquiridas en modo campo oscuro con detector de alto ángulo (HAADF), energía dispersiva de rayos X, espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), para análisis químico. Además, el uso de la técnica de caracterización tridimensional, tomografía electrónica, aporta un completo conocimiento del sistema analizado. La combinación de técnicas de análisis estructural y de composición, en modo TEM y STEM, nos permite obtener una completa nano-caracterización del sistema. Estos análisis STEM son una herramienta esencial para determinar la relación entre la microestructura, las condiciones de crecimiento y el comportamiento final y las propiedades del sistema, que nos ayudará a mejorarlos y, por tanto, contribuir a la producción de energía limpia.

Este proyecto tiene cuatro objetivos estratégicos.

1. Nano-materiales para aplicaciones en energía limpia. Materiales para la producción, uso y almacenamiento de hidrógeno.
2. Desarrollo de la técnica de magnetron sputtering para la fabricación de nano‑estructuras (capas delgadas, recubrimientos y micro-estructuras multicapas).
3. Potenciación de las facilidades LANE (Laboratorio de microscopía del centro ICMSE-CSIC).
4. Uso de técnicas avanzadas de caracterización estructural y de análisis para el estudio a nano-escala de nuevos nano-materiales. 


Estudio del mecanismo de adsorción de contaminantes aniónicos peligrosos por aluminosilicatos de diseño




Investigador Principal: Esperanza Pavón González
Periodo: 01-02-2015 / 28-02-2017
Organismo Financiador: Junta de Andalucía
Código: TAHUB-082. Programa Talent HUB
Componentes:

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El desarrollo científico, tecnológico e industrial en la últimas décadas del siglo pasado ha causado un incremento en la contaminación del medio ambiente. Debido a ello, la comunidad internacional reconoce la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías y estrategias para el control de la contaminación. El objective principal de este Proyecto cumple con este propósito: el diseño de silicatos laminares expansibles de alta carga y su posterior modificación superficial para que se conviertan en materiales adecuados para la retención e inmobilización de contaminantes tóxicos aniónicos.
La metodología del Proyecto se basas en la síntesis de micas de alta carga expansibles con sustituciones isomórficas de Si+4 por Al+3 y con una densidad de carga en el rango de las micas frágiles pero con una capacidad de intercambio e hinchamiento inusuales en estos materiales. Para potenciar su capacidad de adsorción, la superficie de estos materiales se funcionalizará con magnetica por un lado y con la inclusion de cationes de alquilamonio, por otro.
Además, se establecerá un protocolo de inmobilizacion de productos aniónicos altamente tóxicos como son AsO42-, SO42-, en función de la estructura y la funcionalización de las micas de alta carga expansibles. Más tarde, la aplicabilidad de estas reacciones de adsorción se comprobará en suelos reales contaminados de Chile y España.


Desarrollo de cermets con aleaciones de alta entropía de mezcla como fase ligante para aplicaciones de mecanizado




Investigador Principal: Francisco José Gotor Martínez
Periodo: 01-01-2015 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2014-52407-R
Componentes: José Manuel Córdoba Gallego, María Dolores Alcalá González, Pedro José Sánchez Soto, Concepción Real Pérez, María Jesús Sayagués de Vega

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El mecanizado es parte esencial de los procesos de fabricación empleados en muchos sectores industriales y posee una importante implicación económica, al representar una proporción significativa del coste total de fabricación. El éxito del mecanizado depende de múltiples factores, entre los que destaca la herramienta de corte utilizada. El mecanizado de alta velocidad y de los materiales denominados difíciles de mecanizar, como las superaleaciones empleadas en la fabricación de motores a reacción, imponen unas condiciones extremas de trabajo caracterizadas por altas temperaturas, presiones y tensiones, que pueden provocar el fallo prematuro en servicio de la herramienta de corte. Además, el deterioro de la herramienta, debido a un excesivo desgaste y deformación, hace que resulte difícil mantener las tolerancias y la integridad de la superficie mecanizada, lo que compromete seriamente las propiedades de fatiga de la pieza y, por tanto, su aplicabilidad y vida útil. La importante implicación económica de este tipo de mecanizados hace que la industria europea se haya marcado como objetivo primordial mejorar la productividad de estos procesos e incrementar su precisión y calidad, promoviendo la búsqueda de nuevos materiales para herramienta que se adapten mejor a estos nuevos requerimientos.
De los materiales para herramienta que se emplean en la actualidad, los cermets son los que mejor se adaptarían a las exigencias de estos mecanizados, ya que poseen una alta resistencia al desgaste, una estabilidad química elevada y una resistencia mecánica que se mantiene a alta temperatura. Pero, sería necesario mejorar ostensiblemente la tenacidad de fractura y la tolerancia al daño hasta valores próximos a los que presentan los carburos cementados. Durante los últimos años se ha producido un continuado proceso de optimización de los cermets, modificando principalmente la microestructura y la composición química de las fases cerámicas empleadas. En el proyecto MAT2011-22981 demostramos que los cermets denominados de solución sólida completa, caracterizados por poseer una única fase cerámica homogénea formada por un carbonitruro complejo, permiten alcanzar una buena combinación de dureza y tenacidad y una alta resistencia a la oxidación.
En el presente proyecto, que puede considerarse como complementario al MAT2011-22981, se pretende mejorar aún más las propiedades de los cermets, pero actuando en este caso sobre la fase ligante, que es en última instancia la principal causante de la cohesión y la tenacidad del material. Las aleaciones de alta entropía de mezcla se postulan como candidatas idóneas para sustituir a las fases ligantes actuales, ya que presentan una alta resistencia, una buena ductilidad y un excelente comportamiento mecánico a elevadas temperaturas. El objetivo general del presente proyecto se centra en el desarrollo de cermets de solución sólida completa con una fase metálica ligante formada por aleaciones de alta entropía de mezcla. Los materiales que se desarrollarán poseerán una microestructura sencilla, similar a la que presentan los actuales carburos cementados, pero con una elevada complejidad composicional, ya que ambas fases constituyentes (cerámica y metálica) serán soluciones sólidas con un número importante de componentes, al menos cinco. Con estos nuevos cermets, se pretenden mantener las propiedades óptimas que presentan actualmente y mejorar aquellas que limitan su uso potencial en los mecanizados más exigentes.


Almacenamiento TErmoQuímico Híbrido de energía SOLAR concentrada SOLARTEQH




Investigador Principal: Luis Allan Pérez Maqueda
Periodo: 01-01-2015 / 31-12-2017
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: CTQ2014-52763-C2-1-R
Componentes: María Jesús Diánez Millán, José Manuel Criado Luque

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Actualmente existen proyectos dentro de los prgramas Sunshot (USA) y FP7 (UE) en los que se analiza la viabilidad de lechos fluidizados de sólidos granulados para el almacenamiento químico de energía solar concentrada. Uno de los materiales considerados es la caliza natural (CaCO3), abundante y barata. Usando una mezcla CO2/aire en  porcentajes relativos adecuados a las temperaturas de trabajo (600ºC-900ºC) se descarbonataría el CaCO3 mediante reacción endotérmica en períodos de elevada irradiación o se  carbonataría el CaO liberando calor cuando la temperatura descendiese por debajo de un cierto valor. Mediante la variación del %CO2 en el gas de fluidización se provocarían las reacciones de descarbonatación-carbonatación según se desee reducir o aumentar la temperatura del lecho en función de la intensidad de radiación solar y de la demanda. Este control ayudaría a paliar el efecto de la variabilidad de la intensidad de radiación solar sobre la transferencia de calor al ciclo de vapor para la producción de corriente eléctrica. Además de tratarse de un almacenamiento de energía sin pérdidas, la densidad energética del CaCO3 (~1 MWhr/m3) es mayor que la de las sales fundidas actualmente empleadas en plantas comerciales (0.25-0.40 MWhr/m3), siendo además la caliza un material no corrosivo, no degradable y que permitiría operar a mayores temperaturas y aumentar así la eficiencia de conversión termoeléctrica. No obstante, la fluidización de la caliza es altamente heterogénea, formándose canales de gas y agregados no fluidizables en el lecho que reducirían en gran medida la transferencia térmica, la eficacia de contacto sólido/gas y por tanto el grado de conversión. Por otra parte, se han puesto en marcha plantas piloto basadas en almacenamiento térmico en lechos fluidizados de sólidos granulados inertes de alta capacidad calorífica como la arena o el carburo de silicio que presentan un estado de fluidización uniforme con alta transferencia térmica. Estos sistemas poseen inevitables pérdidas térmicas y son necesarios grandes volúmenes para garantizar el suministro de calor al ciclo de vapor en períodos de baja radiación. Nuestro proyecto se basa en complementar de manera sinérgica las ventajas del almacenamiento térmico en lechos fluidizados de sólidos inertes con el químico mediante lechos fluidizados de mezclas de sólidos inertes fluidizables con otros basados en CaO (arena y caliza naturales por ejemplo). En nuestro trabajo evaluaremos la transferencia y almacenamiento de energía solar concentrada de estos sistemas híbridos. El plan de trabajo contemplará acotar las condiciones óptimas de concentración de CO2 en el gas de fluidización y proporción de arena/caliza en función de la temperatura para las que la eficacia de almacenamiento se viera optimizada. Estudiaremos las propiedades físicas y químicas de mezclas de arena/caliza y los parámetros físicos que favorezcan la transferencia y almacenamiento de calor en función de la intensidad de la radiación solar. Así mismo se explorarán métodos de estabilización térmica del CaO con el objeto de incrementar la reversibilidad de carbonatación/calcinación en condiciones prácticas. De manera paralela se desarrollará un modelo termodinámico que incluya aquellos procesos que afectan a la eficiencia energética del mismo y sirva para establecer parámetros óptimos de operación con el objetivo final de transferencia al sector tecnológico para lo que se contará con el apoyo de Abengoa Solar.


Desarrollo de procesos catalíticos y fotocatalíticos para la valorización del gas natural: activación y transformación de metano e hidrocarburos ligeros




Investigador Principal: Alfonso Caballero Martínez
Periodo: 1-01-2015 / 31-12-2018
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: CTQ2014-60524-R
Componentes: Juan Pedro Holgado Vázquez, Gerardo Colon Ibáñez, Rosa María Pereñiguez Rodríguez, Alberto Rodríguez Gómez

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  En el presente proyecto se pretenden realizar diversos estudios y desarrollos relacionados con distintos procesos de activación y transformación de metano en moléculas de más valor añadido. Con este fin se estudiarán tanto procesos bien establecidos de conversión indirecta, a través de reacciones de reformado (RM) para la obtención de gas de síntesis, como distintos procesos de conversión directa, en concreto la oxidación directa a metanol (DOM) y la aromatización de metano (DAM).

    En lo que respecta a la reacción de reformado, se plantea el desarrollo de sistemas catalíticos con resistencia mejorada a los procesos de desactivación. Para ello se prepararán y caracterizarán nuevos catalizadores bimetálicos nanoestructurados de niquel depositados en soportes como ceria, alumina y alumina/ceria, así como soportes mesoporosos de tipo SBA-15, dopados con ceria y alumina. Como segundo metal se utlizarán cobalto o hierro. Paralelamente, se realizará un estudio de la reacción de reformado por vía fotocatalítica utilizando sistemas de Cu, Pt y Ni depositados en soportes activos clásicos como titania o ceria, así como otros de más reciente desarrollo, como son Ga2O3, nitruro de carbono o grafeno. En este caso, se pretende igualmente explorar las posibilidades de la activación fotoquímica para la reacción de oxidación preferencial de CO (foto-PROX) en presencia de hidrógeno, de utilidad en los procesos de purificación de hidrógeno procedente del gas de síntesis. Se incidirá en la preparación de sistemas con una estructura de de bandas apropiada para el control de esta oxidación selectiva de CO.

     En cuanto a los procesos de conversion directa, se estudiará la reacción de DOM usando O2, H2O2 o N2O como activadores de la reacción, en combinación con sistemas basados en Au/Pd, Fe, Cu y/o Ni depositados en soportes como zeolitas ZSM-5, grafeno y TiO2. En este último caso, utilizando Au/Pd como fase metálica activa en presencia de H2O2 como especie oxidante se planteará la posibilidad de combinar la síntesis in situ de agua oxigenada con la posterior oxidación directa de metano. Igualmente, se explorará el proceso de oxidación fotocatalítica de metano a metanol como una alternativa novedosa y altamente atractiva. En este caso, el uso de nuevos fotocatalizadores de oxidación como el BiVO4 así como la presencia de mediadores redox permitirán controlar la oxidación selectiva a metanol.

    Algunos sistemas estrechamente relacionados con los anteriores, y en particular los basados en Mo soportados en zeolitas ZSM-5 y MCM-22, se utilizarán para el estudio de la reacción de aromatización de metano. La proporción de aluminio, el porcentaje de molibdeno y su activación en la estructura microporosa del soporte, así como la adición de promotores como Ga, Tl o Pb serán algunas de las variables a optimizar para esta reacción. De forma paralela se podrá estudiar el proceso de aromatización fotoinducido, recientemente descrito por algunos autores.


Materiales Ópticos Avanzados para Dispositivos Optoelectrónicos más Eficientes




Investigador Principal: Hernán Míguez García / Manuel Ocaña Jurado
Periodo: 1-01-2015 / 31-12-2017
Organismo Financiador: Ministerio de Economía y Competitividad
Código: MAT2014-54852-R
Componentes: Ana Isabel Becerro Nieto, Nuria Núñez Alvarez, Mauricio E. Calvo Roggiani, Gabriel Lozano Barbero, Juan Francisco Galisteo López, Miguel Anaya Martin

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El proyecto MODO se centrará en el desarrollo de materiales ópticos que optimicen el funcionamiento de dispositivos optoelectrónicos tales como celdas fotovoltaicas o dispositivos emisores de luz, mejorando así su eficiencia de conversión enérgetica. El objetivo principal de esta propuesta es aumentar este rendimiento a través del control de los procesos de absorción y emisión de luz que tienen lugar en los materiales que forman estos dispositivos. Esto se logrará mediante el diseño e integración de nanoestructuras fotónicas cuyas propiedades sean, además, compatibles con los requisitos generales de fabricación y funcionamiento de estos sistemas, tales como estabilidad térmica, química y mecánica, durabilidad, procesado fácil o escalado.

En anteriores proyectos, el grupo dedicó sus esfuerzos a la realización de estudios de carácter fundamental y aplicado en los campos de diseño, preparación y caracterización de materiales ópticos, así como a la demostración experimental de la viabilidad de la integración de estos materiales en celdas solares para aumentar su eficiencia. Este proyecto tiene como meta ampliar el rango de dispositivos cuyo funcionamiento puede mejorar mediante la inclusión de estructuras que permitan controlar sus propiedades ópticas. El proyecto MODO tiene, por tanto, un marcado carácter tecnológico y pretende poner en práctica el conocimiento adquirido por el grupo solicitante durante los últimos años para mejorar el rendimiento de dispositivos optoelectrónicos de distinto tipo. Por un lado, se continuará investigando en nuevas estructuras fotónicas que otorguen alta eficiencia y más versatilidad y adaptabilidad a celdas solares de tercera generación basadas en colorantes, con énfasis en nuevos diseños que incrementen su funcionalidad. Proponemos además integrar estructuras fotónicas en celdas de perovskita de tipo haluro metal-orgánico, que acaparan la atención de investigadores y tecnólogos y para las cuales no se han realizado aún diseños ópticos específicos, con el objetivo de aumentar la recolección de luz en el rango espectral en que la celda absorbe menos y modificar su color controladamente.

Al mismo tiempo, se busca extender los conceptos estudiados previamente al campo de la iluminación para conseguir dispositivos en los que se pueda obtener un control fino de las propiedades fotocromáticas y direccionales de la luz emitida, mejorándose sus prestaciones y su eficiencia energética, aún lejos de lograrse con la tecnología actual. En este ámbito, creemos que la integración de estructuras ópticas puede permitir alcanzar el objetivo largamente perseguido de adecuar la curva espectral de emisión a la curva de percepción del ojo humano, maximizándose así el rendimiento energético del dispositivo, ya que toda aquella radiación que se emita para no ser detectada por el ojo supone una pérdida de eficiencia.

La propuesta se enmarca dentro del Reto Social denominado "Energía segura, eficiente y limpia" y tiene como objetivo desarrollar tecnología fotónica empleando herramientas de la nanotecnología y del campo de materiales avanzados, todas ellas identificadas como Tecnologías Facilitadoras Esenciales en el programa de H2020 e incluidas en la Estrategia Española de Ciencia y Tecnología.


Nanogeneradores ferroeléctricos basados en polímeros para aplicaciones en generación de energía y sensores




Investigador Principal: Pedro E. Sánchez Jiménez
Periodo: 01-10-2014 / 30-09-2016
Organismo Financiador: Junta de Andalucia
Código: TAPOST-134. Programa Talent HUB
Componentes:

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La generación de energía a partir de fuentes ambientales ha generado un enorme interés pues ofrece una slución energética para aplicaciones de bajo consumo tales como sensores inalámbricos, dispositivos portátiles, implantes biomédicos o dispositivos de monitorización estructural o medioambiental. Por ejemplo, se considera que el número de dispositivos de uso diario conectados a internet se estima 50.000 millones para el año 2020. La mayoría de estos dispositivos (“internet of things”) son de un tamaño muy reducido o se encuentran integrados en otros equipos mayores.  La manera más sostenible de proporcionar energía a estos dispositivos es la autogeneración, de tal manera que no sea necesario recargarlos durante toda su vida útil. En este sentido, la generación de energía a partir de vibraciones ambientales es particularmente atractiva pues es una fuente de disponibilidad casi ilimitada y extraordinariamente barata al producirse por fuentes tales como las partes móviles de equipos, fluidos o incluso personas. Los generadores piezoeléctricos de escala nanométrica, también conocidos como nanogeneradores, son capaces de convertir vibraciones a pequeña escala en energía eléctrica, y por tanto son candidatos para reemplazar baterías que requieran una recarga constante, las cuales no se redimensionan con facilidad a muy pequeño tamaño   La generación de energía mediante nanogeneradores piezoeléctricos es una tecnología emergente y esta propuesta se basa en la preparación de materials novedosos polímero-cerámica con propiedades piezoeléctricas que puedan utilizarse para diseñar dispositivos baratos, medioambientalmente limpios y que se puedan integrar fácilmente como nanogeneradores en dispositivos electrónicos.


Síntesis y propiedades de nanopartículas luminiscentes para aplicaciones biomédicas




Investigador Principal: Alberto Escudero Belmonte
Periodo: 01-10-2014 / 30-09-2016
Organismo Financiador: Junta de Andalucia
Código: TAPOST-234
Componentes:

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Las nanopartículas luminiscentes resultan de interés en Nanobiomedicina debido a sus diferentes aplicaciones, que incluyen sensores ópticos para la imagen de tejidos o estructuras intracelulares y para la detección y cuantificación de moléculas de interés biológico. En este proyecto se desarrollan nuevos métodos de síntesis de nanoestructuras uniformes de diferentes materiales inorgánicos (vanadatos, fluoruros, fosfatos y molibdatos dopados con cationes lantánidos) más económicos y respetuosos con el medio ambiente. También se evalúan las aplicaciones biomédicas de estos materiales, con especial atención al diseño de sensores y a su potencialidad como dispositivos para la detección e imagen de células cancerígenas. Este proyecto incluye la caracterización de los materiales obtenidos, la optimización de sus propiedades ópticas y magnéticas, el desarrollo de nuevos métodos de funcionalización y conjugación con moléculas de interés biológico, el análisis de la citotoxicidad de los materiales resultantes y el estudio de la interacción de las diferentes nanoestructuras funcionalizadas con células de distinta naturaleza, con especial atención al efecto de la morfología y composición química de las nanopartículas.


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