Proyectos de Investigación

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

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

La presión sobre nuestros recursos hídricos, el calentamiento global y la escasez de combustibles fósiles son tres de los principales desafíos que, como sociedad, tendremos que abordar en la próxima década. Las soluciones a estos desafíos se basan en el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan el uso eficiente y la reutilización de los recursos hídricos, así como en nuevos sistemas de almacenamiento de alta potencia y alta densidad de energía que se combinen con fuentes renovables. Estos dos temas aparentemente dispares dependen de una tecnología: electrodos y adsorbentes de carbono. Tanto los sistemas de desalinización y purificación como los supercondensadores y las baterías usan materiales basados en carbono con propiedades controladas mediante procesos físico-químicos. Una de las rutas más interesantes para la síntesis de estos materiales es la pirólisis de biomasa, un precursor barato y ampliamente disponible. La desionización capacitiva (CDI) es una tecnología emergente para aplicaciones en desalación que utiliza una pequeña diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos de carbono para eliminar iones de una solución mediante electrosorción. El pequeño potencial necesario para el proceso permite alimentar un dispositivo de CDI mediante paneles solares, lo que hace que esta tecnología sea útil en sistemas portátiles o fácilmente desplegables. Los supercondensadores y las baterías también se basan en mecanismos de adsorción y/o intercalación para almacenar carga eléctrica, en un proceso que es esencialmente el mismo, pero adaptado en este caso a maximizar la densidad de energía almacenada. Ambas tecnologías se basan en el uso de electrodos de carbono, con propiedades y estructura adaptadas a cada una de las aplicaciones.
El objetivo principal de esta propuesta es explorar el uso de residuos de biomasa como precursores de materiales de carbono con propiedades controladas para aplicaciones electroquímicas relacionadas la energía y el medio ambiente, con un enfoque en dos aplicaciones principales: almacenamiento de energía en sistemas de supercondensadores y baterías, y desalación por CDI. La ruta de preparación de será la pirólisis de precursores de biomasa, centrándonos en productos de desecho de explotaciones agrícolas. Para la obtención de electrodos monolíticos usaremos madera y tableros prensados de fibra. Desarrollaremos métodos físicos y químicos con el fin de controlar sus propiedades para mejorar su capacitancia o selectividad de iones.
Construiremos un dispositivo de CDI a escala laboratorio para determinar el comportamiento de desalinización y correlacionarlo con información microscópica obtenida por técnicas avanzadas como microscopía electrónica, experimentos de difracción de dispersión total, isotermas de adsorción de nitrógeno y otros. Estudiaremos las propiedades electroquímicas de estos materiales y las correlacionaremos con la estructura y las condiciones de procesado. Nuestro objetivo será optimizar los electrodos de carbono derivados de la biomasa para aplicaciones específicas y desarrollar materiales de carbono derivados de la biomasa ‘a la carta’.