Projecte H2020 HyMAP: Materials Híbrids per a la Fotosíntesi Artificial

Tipus Projecte
Estat Completat
Execució 2015 -2022
Pressupost assignat 2.506.738,00 €
Àmbit Europeo
Comunitat Autònoma Madrid, Comunidad de
Font principal de finançament Horitzó 2020
Web del projecte https://www.hymap.eu/

Descripció

La producció de combustibles solars a través de processos fotosintètics artificials és un gran desafiament científic i d'enginyeria a causa de la seva complexitat. avenços considerables en el disseny i la síntesi de diferents catalitzadors multifuncionals basats en semiconductors, encara queden moltes preguntes fonamentals per respondre en relació amb els processos de valorització del CO2. projecte s'han proposat diferents estratègies innovadores per evitar els problemes inherents als fotocatalitzadors clàssics.

Els resultats descrits anteriorment representen un pas més enllà de l'estat de l'art en la producció de combustibles solars, la síntesi de materials innovadors, el desenvolupament d'eines innovadores de caracterització i el disseny i construcció de la propera generació de fotoreactors solars. la conversió de CO2 que contribueixen fortament als reptes d'H2020 i als identificats per "The Energy Challenge", relacionats amb les Tecnologies Baixes a Carboni amb l'objectiu principal de desenvolupar i portar al mercat solucions tecnològiques assequibles, rendibles i eficients en l'ús dels recursos per a descarbonitzar el sistema energètic de forma sostenible. significatius han estat publicats en revistes internacionals d'alt impacte a SCI. També es dedicaran importants esforços a la difusió científica dels resultats més atractius obtinguts, tractant de comunicar i interactuar amb la societat.

A més, seria important remarcar que les sol·licituds de patent es presenten quan s'aconsegueixen avenços significatius amb potencial abast industrial.

Beneficis per al medi ambient i la salut. HyMAP tindrà un impacte directe en la reducció del CO2 antropogènic a l'atmosfera i, per tant, en la lluita contra el canvi climàtic que té un impacte directe en el medi ambient i la salut tal com es resumeix en els reptes i polítiques de la UE, tals com: Acció per el i 2020.
Beneficis econòmics i socials La combinació de tecnologies presentades en aquest projecte pot tenir un enorme potencial econòmic. Avui en dia, s'estan dedicant esforços mundials al desenvolupament de nous materials per a aplicacions emergents com es proposa aquí. Ciència, en general, i dels reptes a què s'enfronta el projecte, en particular, a través d'intenses activitats de divulgació i divulgació al nostre lloc web o altres esdeveniments nacionals o internacionals com: Nit Europea dels Investigadors, ERC week, setmana de la ciència.

Descripció de les activitats

La implementació del projecte HyMAP s'ha dut a terme en relació amb els paquets de treball proposats a l'acció. El primer paquet de treball "Disseny i síntesi de materials híbrids multifuncionals" Es va proposar la síntesi d'heterounions innovadores entre òxids semiconductors inorgànics i polímers orgànics conductors. En aquest sentit, s‟ha aprofitat l‟enginyeria de banda prohibida per obtenir noves formulacions de semiconductors inorgànics. Posteriorment, s'han donat suport a SPR-NPs metàl·lics sobre aquests sistemes modificats per tal de millorar les selectivitats cap als hidrocarburs (CH4, C2+).

L'equip de HyMAP es va enfrontar a la síntesi de nous polímers porosos conjugats fets a mesura que oferien noves propietats fotocatalítiques millorades que no es mostren als semiconductors inorgànics. La preparació d'heterounions híbrides amb semiconductors inorgànics condueix a un augment en els productes de combustibles solars i més selectivitats als hidrocarburs. Això és degut a un augment de l'absorció de llum, així com a un millor control de les dinamos de càrrega, que disminueixen la recombinació i condueixen a una millor transferència d'electrons que es tradueix en més eficiències. A més, s'ha desenvolupat el disseny racional i s'ha explorat la síntesi de nous marcs orgànics metàl·lics (MOFs) amb llocs actius de reducció/oxidació ben separats com a alternativa als fotocatalitzadors tradicionals.

Actualment, s'ha descrit l'elucidació de l'estructura d'aquests nous MOFs, així com estudis sobre la seva implementació com a catalitzadors de la Fotosíntesi Artificial. Com a segona estratègia, alternativa als fotocatalitzadors semiconductors, vaig proposar el disseny i la síntesi de marcs metall-orgànics multifuncionals. Aquests MOF s'han sintetitzat utilitzant molècules orgàniques funcionalitzades conjugades seleccionades apropiades (actives sota llum UV i/o visible, per augmentar la recol·lecció de llum) i dos tipus de metalls reductibles que actuaran com a dos llocs actius separats: un per a la reducció i un altre per a l'oxidació. Es va realitzar un gran esforç per comprendre les propietats catalítiques estructurals i superficials en condicions de reacció mitjançant l'ús de tècniques innovadores de caracterització in-situ i operatives, incloses tècniques de sincrotró com HP XPS, XRD...

Aquests experiments s'han combinat amb estudis teòrics avançats per determinar l'efecte de les propietats electròniques al mecanisme ia l'activitat de reacció. Aquesta informació va ajudar a racionalitzar la síntesi de catalitzadors híbrids millorats i avançar en el procés de fotoreducció de CO2. A més, he dissenyat i muntat un fotoreactor solar en fase gasosa que permet una bona transmissió, una distribució uniforme i maximitza la captació de llum als espectres generals. Aquest fotoreactor està construït mitjançant un col·lector parabòlic compost que concentra la radiació solar directa i la difon augmentant la conversió de CO2.

Descripció contextual

Un dels reptes d‟aquest segle és la gestió de les enormes emissions de CO2. Una alternativa a les tecnologies CCS és la transformació en productes útils. Actualment, s'exploten menys de l'1% d'aquestes emissions. Per tant, calen noves tecnologies de reciclatge de CO2 que utilitzin fonts d'energia sostenibles. L'objectiu principal de HyMAP és el desenvolupament i la integració d'una nova generació de materials multifuncionals innovadors i fotoreactors que permetin aprofitar l'energia solar per fotoreduir el CO2 i convertir-lo en combustibles o productes químics.

Objectius

HyMAP busca desenvolupar una nova generació de fotocatalitzadors híbrids multifuncionals i fotoreactors solars que permetin aprofitar almenys l'1% de l'energia solar per a la fotoreducció de CO2 utilitzant aigua com a donador d'electrons. Això implicarà una conversió de CO? Per assolir aquest objectiu, proposo un programa de recerca interdisciplinari mitjançant el qual s'aconseguiran diversos avenços a diferents escales: desenvolupament de semiconductors orgànics/inorgànics multifuncionals eficients i fotocatalitzadors d'estructures metal·lorgàniques amb llocs actius de reducció/oxidació separats.

La combinació de múltiples llocs redox independents en un únic material maximitzaria els processos de separació i transport de càrrega, així com la captació de llum solar, caracterització i modelatge de les propietats estructurals i optoelectròniques dels materials proposats; i avaluació dels materials en dispositius de fotosíntesi artificial. l?espectre general. HYMAP em brindarà una excel·lent oportunitat per liderar un grup de recerca consolidat.

Durant la meva carrera científica, he demostrat pensament creatiu, autonomia i una excel·lent capacitat per realitzar investigació d'avantguarda en catàlisi heterogènia, caracterització, modelatge i enginyeria de reactors. èxit dels objectius esmentats en aquest projecte. HYMAP és una versió revisada d'una proposta amb una qualificació A (2a fase) a la darrera convocatòria de l'ERC-CoG.

Resultats

Imitant la natura, la fotosíntesi artificial utilitza la llum solar per convertir el CO2 i l'aigua en compostos que donen i alliberen energia. Però en lloc de produir sucres, com passa amb les plantes verdes, la fotosíntesi artificial pot produir monòxid de carboni (CO), metà (CH4), metanol (CH3OH) i hidrogen (H2), d'interès com a combustibles verds.

El projecte HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), finançat pel Consell Europeu de Recerca (ERC), es va crear per desenvolupar una nova generació de materials i inorgànics híbrids orgànics-inorgànics i dispositius per realitzar les transformacions químiques necessàries per a la fotosíntesi artificial. Això obriria la porta al desenvolupament d'alternatives ecològiques als elèctrodes d'emmagatzematge electroquímic per a bateries. L'equip va investigar la foto(electro)catàlisi, a diferents escales, des de catalitzadors a nanoescala fins a reactors de plantes pilot, creant nous materials híbrids fotoactius. "Els nostres resultats, especialment els que augmenten el rendiment, estan a l'avantguarda del coneixement al camp de la conversió de CO2, marcant una fita per a aquesta àrea de recerca", diu l'investigador principal Víctor A de la Penya O'Shea de la Universitat de Nova York. Institut IMDEA Energia(S'obre en una finestra nova). En conseqüència, les troballes científiques s'estan difonent àmpliament en revistes d'alt perfil. La nova família de semiconductors orgànics del projecte, Polímers porosos conjugats(S'obre en una finestra nova), ja han estat patentats per a la producció de combustible solar. Materials híbrids

L'objectiu principal de HyMAP era desenvolupar sistemes multifuncionals amb capacitats millorades per recol·lectar llum de tot l'espectre solar.

Per aconseguir-ho, l'equip va explorar fotocatalitzadors híbrids i va investigar diversos materials i enfocaments. Les diferents estratègies adoptades van ser: (i) enginyeria de banda prohibida de semiconductors inorgànics i (ii) orgànics; (iii) així com les seves heterojuncions relacionades; (iv) estructures metall-orgàniques (MOF) i (v) conversió ascendent (UC). Les primeres quatre opcions poden recol·lectar ultraviolats juntament amb les regions visibles de l'espectre de llum, mentre que les UC milloren la recol·lecció de longituds d'ona infraroges. Fonamentalment, els semiconductors inorgànics i orgànics milloren la generació i transferència de càrrega, augmentant el rendiment fotocatalític. "La combinació de diferents materials, cadascun especialitzat en les funcions separades de les reaccions fotocatalítiques, principalment d'absorció de llum, separació de càrrega i catàlisi, va millorar l'eficiència general", explica de la Penya O'Shea.

Els mecanismes de reacció d'aquests materials es van caracteritzar al laboratori utilitzant una varietat de tècniques in situ avançades, incloent pressió ambient propera, espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X, difracció de raigs X i radiació sincrotró. Reactor solar A mesura que els estudis de l'equip van revelar que les heterounions semiconductores híbrides orgàniques/inorgàniques fetes d'un polímer porós conjugat tenien un rendiment particularment alt, van dissenyar un reactor solar en fase gasosa. Constava d'un reflector solar, un col·lector parabòlic compost que redirigeix tota la radiació solar rebuda cap al reactor, i un reactor anul·lar tubular fet de vidre de borosilicat, que és més resistent a les altes temperatures.

Es va demostrar que aquest prototip de reactor produeix amb èxit hidrogen solar tant a partir d'aigua com de biomassa, així com altres combustibles o productes químics, com CO, CH4 i CH3OH, utilitzant CO2 com a reactiu. "Aquests excel·lents resultats per a la producció de combustible solar ja han portat a una planta pilot, augmentant el nostre coneixement i permetent afinar processos abans de considerar oportunitats de mercat", diu de la Penya O'Shea. "Necessitem ampliar l'ús d'aquests materials híbrids per a altres reaccions, més enllà de la foto-, per incloure-hi la foto(electro)catàlisi, per a combustibles i productes químics més sofisticats, com l'amoníac, l'etilè i l'èter dimetílic". Ampliació per fer front a nous reptes L'equip de HyMAP ja ha engegat un projecte de prova de concepte NanoCPPs, finançat pel CEI, per desenvolupar una prova de concepte que ampliï els seus polímers porosos conjugats nanoestructurats. "La nanoestructura d'aquest polímer ofereix propietats millorades, cosa que obre la porta a un millor rendiment", afegeix.

Un repte pendent és maximitzar realment les propietats electròniques d'aquests sistemes perquè les alternatives proposades i respectuoses amb el medi ambient als electrodes actuals d'emmagatzematge electroquímic per a bateries puguin realment avançar i fer-se realitat.

Coordinadors

Fundacion IMDEA Energia

Altres links

Projecte H2020 HyMAP: Materials Híbrids per a la Fotosíntesi Artificial

Projectes relacionats