C-NET, un proyecto de intercambio de personal del programa MSCA financiado por la UE, tiene como objetivo crear una red de expertos que trabajan en áreas científicas complementarias para impulsar avances en el amplio campo de las "cero emisiones netas de carbono". C-NET se concibe como un entorno propicio donde los investigadores pueden aprovechar las instalaciones y los conocimientos de las unidades asociadas, que abarcan procesos de conversión de CO₂ tanto termoquímicos como electroquímicos. El núcleo del proyecto es el desarrollo de materiales de doble función (MDF) que permiten acoplar la captura de CO₂ y la hidrogenación para la producción de gas de síntesis en un mismo material.

https://carbon-net.uniud.it/

BioCAs-CCU es un proyecto de colaboración público-privada cuyo objetivo general es diseñar, desarrollar e implementar una tecnología circular de síntesis de biocombustibles avanzados (SAF y e-Diesel), a partir de CO2 capturado y biomasa residual, basada en la combinación de un sistema de gasificación con un sistema catalítico de un solo paso, empleando para la síntesis, un sistema de microrreacción fabricado por impresión 3D. Desde una perspectiva medioambiental, el proceso de producción de BioCAs empleará tres materias primas con alto grado de captura de CO2: microalgas, biomasa (orujillo y restos de poda de olivo) y residuos de destilación de ésteres metílicos. Las algas serán cultivadas en una balsa y alimentadas por el CO2 emitido por la empresa líder, LIBITEC, que además alojará una planta piloto para la producción de los biocombusbles producidos por esta ruta innovadora.

El presente proyecto forma parte del proyecto coordinado HySynChar, que pretende desarrollar una estrategia novedosa para la integración de un conjunto de reacciones y procesos basados en tecnologías catalíticas y de gasificación para la producción de vectores de energía o productos de alto valor añadido (hidrógeno y compuestos oxigenados, particularmente acetaldehído, ácido fórmico y ácido acético) y gas de síntesis de composición ajustable, mediante la valorización de las principales corrientes de salida del proceso de fermentación etanólica de azúcares, bioetanol y dióxido de carbono, y biocarbones residuales, contribuyendo con ello al desarrollo de tecnologías energéticas sostenibles. El principal objetivo del proyecto ICMS es generar corrientes de hidrógeno a partir del ácido fórmico producido por oxidación selectiva de acetaldehído, obtenido por el subproyecto 1 (INMA) a partir de bioetanol. Específicamente, el proyecto ICMS se centra en el estudio de las reacciones de i) oxidación selectiva de acetaldehído, tanto en fase líquida como gaseosa, para la producción de ácido fórmico y/o acético y ii) deshidrogenación de ácido fórmico. Para este fin, se pretende desarrollar catalizadores activos, selectivos y estables, novedosos y preferiblemente basados en metales de transición, para ambas reacciones. En el caso de la oxidación selectiva de acetaldehído, se estudiarán catalizadores basados en VOx soportado en TiO2 or SiO2, FeOx soportado en CeO2-ZrO2 y Au soportado en TiO2, SiO2 y CeO2-ZrO2, buscando el control de la selectividad de la reacción hacia la producción de ácido fórmico o acético. En el caso de la reacción de deshidrogenación de ácido fórmico, los catalizadores estarán basados en Cu o Fe y el objetivo buscado es conseguir una producción continua de corrientes de hidrógeno estables, y libres de CO, a partir de corrientes diluidas de ácido fórmico usando catalizadores de bajo coste y respetuosos con el medioambiente. Todos los materiales preparados serán totalmente caracterizados estructural y químicamente por una gran variedad de técnicas (DRX, XPS, SEM, HRTEM, Raman, DRIFTS, TPR/TPD, UV-Vis, Análisis textural, etc.), 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 IR/DRIFTS acopladas con MS, 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. Los sólidos con los mejores resultados catalíticos en todas las reacciones del consorcio (INMA-ICMS) serán estructurados en reactores monolíticos para analizar el efecto de la configuración del reactor.

El agua es uno de los recursos naturales que, por su carácter limitado y variable, tanto en cantidad como en calidad, debe ser protegido con especial intensidad, en consonancia con los Objetivos Medioambientales que apoyan la transición ecológica: el uso sostenible y la protección de los recursos hídricos y marinos, la economía circular, la prevención y control de la contaminación y la protección y recuperación de la biodiversidad y los ecosistemas. Estudios realizados en colaboración con la Confederación Hidrográfica del Ebro indican que las fuentes puntuales urbanas son las presiones que en la mayoría de los casos son la causa del incumplimiento de los objetivos de calidad ambiental establecidos por la DMA. Estos incumplimientos están relacionados principalmente con la contaminación microbiológica en las aguas receptoras de estos vertidos. Generalmente, al no existir una exigencia legal, las instalaciones de tratamiento de aguas residuales no incluyen procesos de desinfección que reduzcan la carga microbiológica de los efluentes y, en consecuencia, estos agentes se incorporan a las aguas naturales, limitando el uso que se hace de ellas, especialmente en el abastecimiento de poblaciones y en el uso recreativo (baño y otros). Asimismo, dicha contaminación en las aguas residuales limita la posibilidad de su posterior reutilización, reduciendo la capacidad de aumentar la disponibilidad de recursos hídricos. Es importante destacar que, la reutilización del agua para el riego agrícola también puede contribuir a la economía circular al recuperar los nutrientes del agua regenerada y aplicarlos a los cultivos y reduciendo la necesidad de uso suplementarias de fertilizantes minerales. Por lo tanto, es necesario intensificar la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales mediante procesos no convencionales que mejoren la calidad del agua tratada con el objetivo final de permitir una reutilización segura de los efluentes (reglamento (UE) 2020/741). Por otro lado, el control de más parámetros microbiológicos es esencial para un correcto análisis de aplicación de las tecnologías. Consciente de esta necesidad, el grupo AySA lleva años desarrollando proyectos centrados en procesos convencionales y no convencionales, basados en procesos fotocatalíticos, aplicados a desinfección de aguas y control microbiológico en EDARs. El objetivo principal de este proyecto es seleccionar la mejor tecnología de desinfección de aguas residuales urbanas tratadas para su aplicación a gran escala mediante la mejora de los procesos de oxidación avanzada previamente estudiados en desinfección de este tipo de aguas. Además, el control microbiológico, no sólo de los indicadores bacterianos utilizados convencionalmente, sino también de los protozoos y de las bacterias endosimbióticas que se encuentran en el interior de las amebas, se considera muy relevante en este proyecto ya que, hasta donde sabemos, no existen estudios con una variedad tan amplia de microorganismos potencialmente patógenos. Se espera que este enfoque realista minimice el impacto en aguas receptoras y aumente la reutilización reduciendo el riesgo sanitario y ambiental.

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).

STORMING desarrollará reactores estructurados innovadores calentados con electricidad renovable, para convertir CH4 fósil en H2 libre de CO2 y en nanomateriales de carbono de alto valor para aplicaciones de baterías. Más específicamente, se desarrollarán catalizadores innovadores basados en Fe, altamente activos y fácilmente regenerables mediante procesos que no generen residuos, a través de un protocolo de diseño racional de catalizadores, que combina estudios teóricos (Teoría del Funcional de la Densidad y Cálculos de Dinámica Molecular) y experimentales (cluster), todos de ellos asistidos por caracterización in situ y operando y herramientas de Machine Learning. La electrificación (con calentamiento por microondas o por efecto joule) de reactores estructurados, diseñados por fluidodinámica computacional y preparados mediante impresión 3D, permitirá un control térmico preciso que dará como resultado una alta eficiencia energética. El proyecto validará, en un nivel 5 de TRL, la tecnología catalítica más prometedora (elegida con criterios tecnológicos, económicos y ambientales) para producir H2 con eficiencia energética (> 60 %), cero emisiones netas y con un coste hasta un 10 % menor al del proceso convencional. La difusión y comunicación de los resultados impulsará la aceptación social de las tecnologías relacionadas con el H2 y la participación de las partes interesadas en la explotación y el despliegue de procesos a corto plazo. La clave para alcanzar los desafiantes objetivos de STORMING es el muy alto grado de complementariedad e interdisciplinaridad de los grupos que forman el consorcio, donde las ciencias básicas y aplicadas se fusionan con la ingeniería, la informática y las ciencias sociales. El Grupo del ICMS implicado llevará a cabo el desarrollo del catalizador desde la preparación de los catalizadores en polvo hasta su washcoating sobre soportes estructurados. CSIC participa como miembro del consorcio, participando la Universidad de Sevilla como entidad asociada.

https://cordis.europa.eu/project/id/101069690

Storming - Unión Europea

Storming - ICMS

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 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

En este proyecto se llevarán a cabo diversos estudios y desarrollos relacionados con la reacción de hidrogenación de CO2 para la producción de Gas Natural Sintético (GNS) e hidrocarburos ligeros. Así, la metanación y las denominadas reacciones modificadas de Fischer-Tropsch a olefinas (FTO) se están convirtiendo en procesos muy interesantes desde el punto de vista económico, energético y medioambiental. Por otra parte, el uso de hidrógeno verde como agente reductor, obtenido a su vez a partir de fuentes renovables, representa, además de la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, una forma de almacenar la energía procedente de fuentes renovables, muchas de las cuales son intermitentes y, por tanto, difíciles de ajustar a las necesidades de consumo.
Con todo ello, este proyecto persigue un enfoque multicatalítico que comprende la termocatálisis y la fotocatálisis térmica con el fin de conseguir altos rendimientos, alta sostenibilidad y con los menores costes de producción, orientados en todo caso a una aplicación industrial final. Por otro lado, el desarrollo y optimización de los materiales catalíticos, considerando nuevos sistemas catalíticos heterogéneos basados en Ni, Fe, Co, Ru, Au, Pd entre otros metales, que han mostrado un gran potencial para estas reacciones de hidrogenación en los últimos años. En cuanto a los materiales catalíticos, se seleccionarán soportes micro y mesoporosos de composición variable (zeolitas, SBA-15, etc.), así como otros basados en óxidos y perovskitas ABO3. Para ello se utilizarán una serie de técnicas de preparación recientemente descritas (cristalización por microondas, proceso de autocombustión, mesoestructuración por nanocasting y porosidad jerárquica) que permiten obtener sistemas de alta superficie específica y nanoestructura controlada. La combinación de diferentes elementos en las posiciones A y B de la estructura de la perovskita, que actúan tanto como promotores de sistemas catalíticos como precursores de aleaciones metálicas en sistemas catalíticos reducidos, permitirá obtener materiales con propiedades catalíticas sintonizables, muy variadas y versátiles.

En el presente proyecto se llevarán a cabo diversos estudios y desarrollos relacionados con la reducción de CO2 a productos de alto valor añadido, como metano, olefinas ligeras, gasolinas y otros hidrocarburos funcionalizados, de gran interés económico, energético y medioambiental. El uso de hidrógeno como agente reductor, obtenido este a su vez de fuentes renovables supone, además de la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, una vía para el almacenamiento de la energía procedente de fuentes renovables, muchas de ellas de carácter intermitente y por tanto difícilmente acoplable a las necesidades de consumo.

Con todo ello en este proyecto se propone el desarrollo de nuevos sistemas catalíticos heterogéneos basados en Ni, Fe, Co, Ru e In, entre otros metales, los cuales han mostrado en los últimos años un gran potencial para esta reacción de hidrogenación. Dado el carácter bifuncional de los mecanismos de reacción involucrados en estas reacciones, se seleccionarán soportes micro y mesoporosos de composición variable (zeolitas, SBA-15, etc.), así como otros basados en estructura perovskita ABO3. Para ello se emplearán una serie de técnicas de preparación recientemente descritas (Cristalización por Microondas, Proceso de Autocombustión, Mesoestructuración por Nanocasting y Porosidad Jerarquizada) que permiten obtener sistemas de alta superficie específica y nanoestructura controlada. La combinación de diferentes elementos en las posiciones A y B de la estructura perovskita, que actúen tanto como agentes promotores de los sistemas catalíticos como de precursores de aleaciones metálicas en los sistemas catalíticos reducidos, permitirá obtener materiales con propiedades catalíticas modulables, muy variadas y versátiles.

http://matproner.icms.us-csic.es/projects/

El principal reto científico de este proyecto es el diseño de un dispositivo catalítico activo y selectivo en la reducción catalítica de CO2 a CO. El proyecto pretende resolver dos problemas interrelacionados, el diseño del catalizador, que pasa por una comprensión a nivel molecular de la reacción estudiada, y el diseño de un reactor de microcanales que permita realizar la reacción en régimen isotermo y tiempos de residencia muy cortos. Para ello se propone la síntesis de catalizadores constituidos por metales nobles o de transición soportados en óxidos reducibles para llevar a cabo el proceso catalítico analizando los factores determinantes de la reacción: tamaño de partícula de la fase metálica, reducibilidad del soporte, interacciones metal-soporte y resistencia de la desactivación. Las características de la reacción exigen el desarrollo de reactores de microcanales que permitan disminuir las pérdidas de carga y los tiempos de residencia manteniendose isotermos. El estudio, por tanto, busca diseñar un dispositivo catalítico activo, selectivo y estable que trabaje en régimen isotermo y permita tiempos de residencia inferiores a 100 ms.

El objetivo principal del presente proyecto coordinado entre la U. de Zaragoza, el ICMS y la U. de Cádiz, es el desarrollo de catalizadores multifuncionales y estructurados basados en materiales catalíticos carbonosos, tanto de carácter biomórfico, como grafénico-grafítico. Estos materiales catalíticos han de ser activos, selectivos y estables en reacciones directamente relacionadas con el aprovechamiento de la biomasa lignocelulósica (producción de 5-HMF, ácido levulínico, FDCA, o γ-valerolactona) y la producción sostenible de energía (producción de H2), así como la valorización química y fotoquímica de CO2 (hidrogenación de CO2, descomposición de biogás, foto-reformado de bio-alcoholes), usando H2 de origen renovable ("water splitting"). Este proyecto trata de mejorar procesos actualmente implementados que están relacionados con la producción de energía, y otros más novedosos, como el aprovechamiento de la luz solar, que sin lugar a dudas están llamados a tener un papel importante en este campo. De hecho, la utilización de la energía solar haría más viable energéticamente, por ejemplo, la reacción de metanación de CO2 al usar H2 de origen (foto)renovable producido por “water splitting”. Se busca también la generación de productos de alto valor añadido por procesos de biorefinería, que sustituyan los obtenidos actualmente a partir de fuentes fósiles. Se pretende conseguir un conjunto de sólidos carbonosos con propiedades estructurales (porosidad jerárquica meso/micro), hidrofilicidad-hidrofobicidad, funcionalidades químicas, composición superficial etc. diseñados ad hoc para cada una de las reacciones consideradas por los distintos subproyectos, incluyendo la implementación de procesos en continuo mediante la utilización de reactores estructurados a partir de los catalizadores más eficientes. El desarrollo y utilización de sistemas catalíticos estructurados aumenta la viabilidad e intensificación de los procesos y por tanto la eficiencia energética y medioambiental. La complementariedad de los tres grupos proponentes abre la posibilidad de abordar en un solo proyecto todos estos objetivos, permitiendo aplicar distintas metodologías emergentes para la síntesis de nuevos materiales carbonosos, como son la mineralización biomórfica, la expansión/funcionalización de compuestos intercalados de grafito, grafitos especiales (e.g. “graphite nanolayers” o "nanoflakes”), uso de plantillas inorgánicas para generación de carbones mesoporosos, su funcionalización avanzada y su aplicación en procesos de alto impacto en el área de la energía, tecnología química y tecnologías ambientales.

El uso de la energía solar para la generación de hidrógeno a partir de agua es probablemente uno de procesos más limpios y sostenibles para la obtención de energía. Sin embargo, los catalizadores que dan mejores rendimientos son demasiado caros para ser económicamente viables. El proyecto RATOCAT tiene como objetivo el desarrollo de materiales fotocatalíticos optimizados.    De esta forma las prestaciones fotocatalíticas de sistemas basados en TiO₂ y gC₃N₄ podrían optimizarse mediante el diseño de su superficie con nanoestructuras de composición, nanoarquitectura, tamaño y estado químico altamente controladas. Se empleará para ello estudios de simulación teórica para proponer la nanoestructuras óptimas que serán depositadas de forma controlada y precisa mediante atomic layer deposition (ALD). Los test de actividad fotocatalítica tanto a escala de laboratorio como en planta piloto (Plataforma Solar de Almería).

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.

El objetivo principal del presente proyecto coordinado entre las universidades de Zaragoza y el Instituto de Ciencias de Materiales de Sevilla es el desarrollo de catalizadores metálicos soportados en carbones biomórficos (CB), para su posterior aplicación a procesos de producción de hidrógeno y de refino de bio-oil. La técnica de Mineralización Biomórfica es una innovadora herramienta capaz de sintetizar materiales inorgánicos funcionales utilizando como plantilla diversas estructuras formadas en procesos biológicos. Así, a partir de materiales lignocelulósicos (biomasa) se puede preparar una gran variedad de materiales cerámicos microestructurados. No obstante, la replicación de los distintos niveles jerárquicos existentes en los tejidos biológicos sigue siendo un gran reto a día de hoy. Para avanzar en esta línea, en este proyecto se va a abordar el estudio de la síntesis, caracterización y aplicación de catalizadores metálicos soportados en carbón biomórfico (Me/CB), con distribuciones de tamaño homogénea y porosidad jerarquizada.
La preparación de estos materiales se realiza mediante descomposición térmica en atmósfera reductora (o inerte) a alta temperatura, y elevadas velocidades de calentamiento, de un material lignocelulósico (e.g. celulosa, lignina, papel) impregnado con los precursores metálicos catalíticos. De esta manera, en una sola etapa, se obtiene un soporte carbonoso biomórfico con nanopartículas de metal dispersas en su superficie. Este método de síntesis presenta una extraordinaria versatilidad, puesto que además de poder utilizar diferentes materias primas de partida, se pueden obtener catalizadores de muy distintas composiciones y contenidos metálicos, así como su estructuración en dispositivos monolíticos y espumas. Como materias primas, además de celulosa, lignina o papel, se van estudiar biomasas agrícolas residuales.
Los catalizadores tipo Me/CB se pretenden aplicar en procesos de producción de hidrógeno (descomposición de hidrocarburos ligeros, de amoniaco y deshidrogenación de ácido fórmico), en la reacción de Water-Gas-Shift (WGS), y en distintas reacciones test de refino de bio-oil (conversión de acético a acetona, hidrogenación de vainillina y ciclohexeno y conversión de m-cresol a fenol).
 

Existen en la actualidad fuentes de gas que podríamos agrupar bajo el calificativo de no-convencional que incluyen el que se encuentra confinado en formaciones geológicas de baja permeabilidad, el gas asociado al crudo, los pequeños yaciemientos en lugares remotos, el biogas producido en la digestión anaerobia de residuos y los denominados product gas generados en la gasificación de biomasa y en la combustión de alquitran. La composición de todas estas fuentes de gas es similar estando constituidas por una mezcla de metano y dióxido de carbono con cantidades inferiores de otros gases permanentes. La concentración de CO2 puede llegar a ser de hasta el 40% en volumen como ocurre con el gas asociado de algunos campos off-shore y el biogas producido por fermentación de residuos agrícolas. La valorización de este gas mediante el proceso GTL (Gas to Liquid) es una alternativa cuando su localización remota o distante de los gaseoductos no permite ser agregado a las fuentes convencionales o no puede ser consumido in situ, ya que los combustibles líquidos son más fáciles de almacenar y transportar y tienen aplicación directa en el transporte.
La tecnología GTL convencional no es aplicable ya que su viabilidad económica exige instalaciones y suministros a una escala elevadísima. Por ello, se está desarrollando esa misma tecnología en reactores de microcanales de pared catalítica que consiguen incrementar de forma notable el rendimiento de las unidades de producción de gas de síntesis y síntesis de Fischer-Tropsch (SFT), al poder trabajar con elevadas velocidades espaciales, mejorando el control de la temperatura y con ello de la selectividad y la seguridad del proceso; además, la naturaleza modular basada en la replicación de unidades simplifica de forma considerable el escalado del proceso, adaptándose bien a unidades de producción de gas no convencional que, por lo general, no son grandes.
En el presente proyecto se pretende desarrollar la tecnología de microcanales para el proceso GTL utilizando mezclas metano-dióxido de carbono para simular las fuentes de gas no convencional. Los estudios que hemos venido realizando sobre reactores de microcanales deberán ampliarse a condiciones de presión y temperatura más drásticas, lo que debe permitir validar y mejorar la selección de materiales para la construcción y las técnicas de unión.
La aplicación de esta tecnología requiere el desarrollo de nuevos catalizadores activos, selectivos y estables que se adapten a los procesos GTL en reactores de microcanales. Se diseñarán catalizadores para el reformado al vapor, el reformado seco y la oxidación parcial de metano para la producción de gas de síntesis, así como catalizadores SFT. Se construirán reactores de microcanales para el ensayo de dichos catalizadores, se obtendrán las ecuaciones cinéticas de los catalizadores seleccionados y se modelarán y simularán los reactores construidos.
 

La fotocatálisis heterogenea ha mostrado sobradamente su potencial para destoxificación y desinfección de medios acuosos y gaseosos. Sin embargo, su desarrollo tecnológico ha sido muy limitado debido a una serie de dificultades que pueden agruparse en dos grupos principales:

1. Dificultades para separar el catalizador del medio al finalizar el proceso, para su reactivación y reutilización.

2. Bajo rendimiento del proceso, que sólo aprovecha un porcentaje muy pequeño de los fotones útiles, siendo estos además una pequeña parte del espectro natural.

En nuestra propuesta se coordinan tres subproyectos liderados por tres grupos que aunan amplia experiencia en: Síntesis, modificación y caracterización de materiales fotocatalíticos (principalmente el grupo de la Universidad de Sevilla), Preparación y caracterización de óxidos metálicos en lámina delgada sobre diferentes substratos(principalmente el grupo del CIEMAT) y Modificación, caracterización espectroscópica de centros activos y estudios de fotorreactividad en fase acuosa y gaseosa (principalmente el grupo de la ULPGC).

Sobre la base de esta experiencia acumulada y de las principales tendencias en el desarrollo de la fotocatálisisheterogénea, nuestro consorcio se plantea como objetivo central de este proyecto: Sintetizar materiales basados en TiO₂, SnO₂, ZnO y materiales ternarios tipo titanato de bismuto (BITs),  en forma de polvo con tamaño manométrico con alta actividad fotocatalítica y su fijación sobre sustratos adecuados (vidrio, membranas, láminas metálicas, etc.) recubiertos con películas delgadas de diferentes óxidos metálicos que faciliten el anclaje de estas partículas y/o actúen como semilla para la formación o cristalización de estas partículas, para poder utilizar estos sistemas de forma eficiente en procesos de descontaminación fotocatalítica en fase acuosa y gaseosa.

El objetivo principal de este proyecto es el desarrollo de una nueva generación de materiales nanoestructurados alternativos al TiO2 que presenten una alta fotoactividad en la región del visible y que puedan ser utilizados de forma competitiva y eficiente en procesos de tratamiento de efluentes líquidos y gaseosos mediante el aprovechamiento de la luz solar. El presente proyecto pretende desarrollar nuevos sistemas de nanocatalizadores heterogéneos basados en Bi3+ (Bi2WO4, Bi2MoO6, BiVO4, Bi3O4Cl, CaBi2O4, PbBi2Nb2O9,…) que presenten unas propiedades optoelectrónicas adecuadas para el aprovechamiento de la energía solar en el rango del visible (Fotocatálisis Solar) y que al mismo tiempo exhiban unas propiedades fisicoquímicas mejoradas que optimicen el proceso fotocatalítico desde el punto de vista de difusión y transferencia de portadores de carga fotogenerados.

El uso masivo y generalizado de dispositivos eléctricos y electrónicos portátiles aumenta la necesidad de fuentes de potencia autónomas y eficientes, de hasta unos 50 We, capaces de reemplazar la tecnología actual basada en el uso de baterias. El uso de combustibles o productos químicos convencionales, hidrocarburos o alcoholes por ejemplo, es una alternativa prometedora cuando se combina con los recientes desarrollos en intensificación de procesos basados en la tecnología de reactores de microcanales. El desarrollo de la tecnología de microcanales para la producción de hidrógeno, in situ y a de-manda, a partir de alcoholes, se comenzó a estudiar en el proyecto anterior (MAT2006-12386-C05). Este estudio permitió la construcción de reactores de microcanales para las reacciones de reformado catalítico de metanol y oxidación preferente de CO (PROX) . En el presente proyecto se pretenden aplicar los conocimientos adquiridos para acoplar los microrreactores entre sí integrando flujos térmicos y materiales, escalarlos, y unirlos a una celda de combustible comercial de 50 We (PEMFC). En paralelo, se desarrollarán reactores de microcanales para el reformado catalítico de etanol y la reacción de desplazamiento del gas de agua (WGS) lo que permite aumentar la versatilidad el dispositivo diseñado. La viabilidad de estas fuentes de potencia autónomas requiere el estudio no sólo de la fabricación, escalado de los microreactores e integración de los flujos térmicos y materiales sino también explorar el uso de materiales de mayor disponibilidad (aceros ferríticos adaptados al uso), su durabilidad (aceros, catalizadores, soldaduras, juntas, …) y el desarrollo de un algoritmo de control para el conjunto formado por el procesador de combustible (reformado + eliminación de CO) y la pila de combustible.

El objetivo general de este proyecto coordinado es “diseñar una nueva generación de materiales en forma de polvo con tamaño manométrico basados en TiO2, SnO2 y ZnO simples, mixtos y/o dopados con otros iones, con alta actividad fotocatalítica en el visible y su fijación en otros materiales (membranas, vidrios, arcillas y láminas metálicas) que permitan emplear-los, de manera eficiente y competitiva en procesos de descontaminación fotocatalítica de efluentes líquidos y gases contaminados”. La hipótesis fundamental de la que se parte es que existen pigmentos inorgánicos (tales como el TiO2, SnO2, ZnO, etc.) con actividad fotocatalítica en UV capaces de degradar de forma no selectiva a especies tóxicas presentes en nuestro medio ambiente. El reto es superar los problemas derivados de la utilización sólo de la parte UV del espectro solar y extender la respuesta hacia el visible, implementando al mismo tiempo, las propiedades fisicoquímicas de los fotocatalizadores. Para realizar este estudio se proponen dos bloques principales de actividad que serán el diseño y desarrollo de catalizadores heterogéneos de tamaño nanométricos altamente fotoactivos, basados en TiO2, SnO2 y ZnO que puedan hacer las transformaciones de degradación de contaminantes mediante el concurso de luz solar visible (Química Solar Medioambiental) y la inmovilización de nanopartículas de estos semiconductores, simples, mixtos y/o dopados, en soportes adecuados (membranas, vidrios, láminas metálicas, fibras, placas cerámicas, etc,) con el fin de desarrollar dispositivos fotocatalíticos con alta actividad para el tratamiento de contaminantes en gases y aguas, para la generación de superficies autolimpiables.