Proyectos de Investigación

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

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

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.

El proyecto CeramFLASH propone la utilización de las novedosas técnicas de Sinterizado Flash (FS) y Sinterizado Flash Reactivo (SFR) para la síntesis y preparación de cerámicas con interés tecnológico tales como electrolitos sólidos, piezoeléctricos o cerámicas duras electromecanizables. Estas técnicas permiten preparar materiales cerámicos en segundos a temperaturas significativamente más bajas que las requeridas por las técnicas de sinterizado convencional simplemente haciendo circular por la pieza una muy pequeña intensidad de corriente eléctrica (de unos pocos miliamperios). Esta ventaja permite reducir de forma significativa el elevado consumo energético necesario en el procesado de materiales cerámicos.
Adicionalmente, se posibilita la preparación en forma densa y nanoestructurada de cerámicas muy difíciles de preparar mediante métodos convencionales, tales como compuestos de baja estabilidad térmica o compuestos que requieren temperaturas de sinterizado muy elevadas.
Finalmente, CeramFLASH pretende utilizar campos alternos con frecuencia de oscilación variable y métodos de control inteligente basados en la respuesta de la muestra al campo para conseguir un mejor control de las características microestructurales en las cerámicas resultantes. A pesar de que la técnica de FS se propuso por vez primera hace solo 8 años, y la SFR fue introducida en 2018 por nuestro grupo, el interés por este proceso está creciendo de forma importante por su gran potencial científico y tecnológico. CeramFLASH cuenta con la implicación de personal con experiencia en la técnica y la colaboración activa del investigador pionero en su propuesta, por lo que su financiación permitirá establecer una línea de investigación a largo plazo que permita consolidar en Andalucía un grupo de referencia a nivel internacional en este ámbito.