H2020 HyMAP Proiektua: Fotosintesi Artifizialerako Material Hibridoak

Mota Proiektua
Egoera Bete
Exekuzioa 2015 -2022
Esleitutako Aurrekontua 2.506.738,00 €
Eremua Europeo
Autonomia-erkidegoa Madrid, Comunidad de
Finantza-iturri nagusia Horizonte 2020
Proiektuaren webgunea https://www.hymap.eu/

Azalpena

Eguzki-erregaien ekoizpena prozesu fotosintetiko artifizialen bidez zientzia eta ingeniaritza erronka handia da, bere konplexutasunagatik. Orain arte deskribatutako ikuspegi guztiek bide berriak irekitzen dituzte CO2 fotokatalitikoaren murrizketa hobetzeko, baina fotosintesi naturala imitatzen duten katalizatzaile berriak behar dira oraindik, fotosintesi artifiziala prozesu industrial bideragarri gisa kontsideratzeko behar adina eraginkortasunarekin. Aurrerapen handiak egin diren arren erdieroaleetan oinarritutako hainbat katalizatzaile multifuntzionalen diseinuan eta sintesian, oinarrizko galdera asko geratzen dira CO2 balorizazio prozesuei buruz. Sistema berri hauek CO2 murrizketan duten zereginaren konplexutasunak eta ulermen faltak ikerketa teoriko eta esperimental gehiago behar dituzte fotosintesi artifizialeko prozesuan katalizatzaile multifuntzional desberdinen portaera ulertzen laguntzeko. Proiektu honek hainbat estrategia berritzaile proposatu ditu fotokatalizatzaile konbentzionalen berezko arazoak saihesteko.

Goian deskribatutako emaitzek eguzki-erregaien ekoizpenaren, material berrien sintesiaren, karakterizazio-tresna berritzaileen garapenaren eta hurrengo belaunaldiko eguzki-fotoerreaktoreen diseinu eta eraikuntzaren egoeraren haratagoko urrats bat adierazten dute. Proiektu honek hainbat arlotako eraginak aurreikusten ditu, onura zientifiko, ingurumeneko, sozial eta ekonomiko globalekin. Onura zientifiko eta teknologikoak CO2 bihurketatik abiatutako eguzki-erregaien ekoizpenaren hobekuntzan oinarritzen dira, eta horrek H2020 erronkei eta "Energia Erronkak" identifikatutako erronkei laguntzen die, Karbono Gutxiko Teknologiei lotuta. Helburu nagusia irtenbide teknologiko merkeak, kostu-eraginkorrak eta baliabideen aldetik eraginkorrak garatzea eta merkatura ateratzea da, energia-sistema modu iraunkorrean deskarbonizatzeko, energia-hornidura bermatzeko eta barne-energia merkatua osatzeko. Aurrerapen esanguratsuenak nazioarteko SCI aldizkari eraginkorretan argitaratu dira. Ahalegin handiak ere eskainiko dira lortutako emaitza erakargarrienen hedapen zientifikoari, gizartearekin komunikatu eta elkarreragin nahian.

Gainera, garrantzitsua da azpimarratzea patente-eskaerak industria-irristeko aukera duten aurrerapen garrantzitsuak lortzen direnean aurkezten direla.

Ingurumenerako eta osasunerako onurak. HyMAPek eragin zuzena izango du atmosferako CO2 antropogenikoa murrizteko eta, beraz, klima-aldaketaren aurkako borrokan, eta horrek eragin zuzena du ingurumenean eta osasunean, EBko erronketan eta politiketan laburbiltzen den bezala, hala nola Klima Ekintza, Ingurumena, Baliabideen eta Lehengaien Eraginkortasuna eta Osasuna 2020.
Onura ekonomikoak eta sozialak. Proiektu honetan aurkeztutako teknologien konbinazioak potentzial ekonomiko izugarria izan dezake. Gaur egun, ahalegin globalak egiten ari dira aplikazio berrietarako material berriak garatzeko, hemen proposatzen den bezala. Garrantzitsua da azpimarratzea patente-eskaerak aurkeztuko direla potentzial industriala duten aurrerapen esanguratsuak lortzen direnean. Ikuspegi sozialetik, ingurumenarekin eta osasunarekin lotutako onurez gain, HyMAPek zientziaren hedapenean lagunduko du oro har, eta proiektuak dituen erronkei bereziki, gure webgunean edo beste ekitaldi nazional edo nazioarteko batzuetan, hala nola Europako Ikertzaileen Gaua, ERC Astea eta Zientzia Astea, dibulgazio eta sustapen jarduera intentsiboen bidez.

Jardueren deskribapena

HyMAP proiektua ekintzan proposatutako lan-paketeekin batera gauzatu zen. Lehenengo lan-paketeak, "Material hibrido multifuntzionalen diseinua eta sintesia", oxido erdieroale ez-organikoen eta polimero organiko eroaleen arteko heterojuntura berritzaileen sintesia proposatu zuen. Banda-tarteen ingeniaritza erabili zen erdieroale ez-organikoen formulazio berriak lortzeko. Ondoren, SPR-NP metalikoak aplikatu ziren sistema aldatu hauetan hidrokarburoekiko (CH4, C2+) selektibitateak hobetzeko.

HyMAP taldeak polimero porotsu konjugatu berri eta neurrira egindakoen sintesian zentratu zen, erdieroale inorganikoek erakusten ez dituzten propietate fotokatalitiko berri eta hobetuak eskaintzen dituztenak. Erdieroale inorganikoekin heterojuntura hibridoak prestatzeak eguzki-erregai produktuen gehikuntza eta hidrokarburo selektibitate handiagoak dakartza. Hori argiaren xurgapen hobetuaren eta karga-dinamoen kontrol hobetuaren ondorioz gertatzen da, eta horrek birkonbinazioa gutxitzen du eta elektroi-transferentzia hobetzen du, eta ondorioz, eraginkortasun handiagoak lortzen ditu. Gainera, ondo bereizitako gune redox aktiboekin egitura metal-organiko (MOF) berrien diseinu eta sintesi arrazionala garatu da fotokatalizatzaile tradizionalen alternatiba gisa.

Gaur egun, MOF berri hauen egituraren argipena deskribatu da, baita Fotosintesi Artifizialerako katalizatzaile gisa duten inplementazioari buruzko ikerketak ere. Bigarren estrategia gisa, erdieroale fotokatalizatzaileen alternatiba gisa, egitura metal-organiko multifuntzionalen diseinua eta sintesia proposatu dut. MOF hauek molekula organiko funtzionalizatu konjugatu hautatuak erabiliz sintetizatu dira (UV eta/edo argi ikusgaiaren pean aktiboak, argiaren bilketa hobetzeko) eta bi metal erreduzigarri mota erabiliz, bi gune aktibo bereizi gisa jardungo dutenak: bat erredukziorako eta bestea oxidaziorako. Ahalegin handia egin da erreakzio-baldintzetan dauden propietate katalitiko estrukturalak eta gainazalekoak ulertzeko, in situ eta eragiketa-karakterizazio teknika berritzaileak erabiliz, besteak beste, sinkrotroi teknikak, hala nola HP XPS, XRD...

Esperimentu hauek ikerketa teoriko aurreratuekin konbinatu dira propietate elektronikoek erreakzio-mekanismoan eta jardueran duten eragina zehazteko. Informazio honek katalizatzaile hibrido hobetuen sintesia errazten eta CO2 fotoerredukzio prozesua aurreratzen lagundu du. Horrez gain, fase gaseosoko eguzki-fotoerreaktore bat diseinatu eta muntatu dut, transmisio ona, banaketa uniformea eta espektro orokorrean zehar argiaren bilketa maximizatzen duena ahalbidetzen duena. Fotoerreaktore hau kolektore paraboliko konposatu bat erabiliz eraiki da, eguzki-erradiazio zuzena kontzentratzen eta barreiatzen duena, CO2 bihurketa handituz.

Testuinguruko deskribapena

Mende honetako erronketako bat CO2 isuri izugarriak kudeatzea da. CCS teknologien alternatiba produktu erabilgarri bihurtzea da. Gaur egun, isuri horien % 1 baino gutxiago ustiatzen da. Beraz, energia iturri jasangarriak erabiltzen dituzten CO2 birziklatzeko teknologia berriak behar dira. HyMAP-en helburu nagusia material eta fotoerreaktore multifuntzional berritzaileen belaunaldi berri bat garatzea eta integratzea da, eguzki-energia aprobetxatu dezaketenak CO2 fotoerreduzitzeko eta erregai edo produktu kimiko bihurtzeko.

Helburuak

HyMAP-ek fotokatalizatzaile hibrido multifuntzional eta eguzki-fotoerreaktoreen belaunaldi berri bat garatzea du helburu, eguzki-energiaren % 1 gutxienez CO2 fotoerredukziorako aprobetxatu dezaketena, ura elektroi-emaile gisa erabiliz. Horrek 12 eta 35 tona/urteko ha-1 arteko CO2 bihurketa ekarriko du, produktuaren banaketaren arabera, eta horrek gutxienez 20 aldiz hobekuntza adierazten du egungo teknologiarekin alderatuta. Helburu hori lortzeko, diziplina anitzeko ikerketa-programa bat proposatzen dut, eta horren bidez hainbat aurrerapen lortuko dira eskala desberdinetan: erdieroale organiko/ez-organiko multifuntzional eraginkorrak eta gune aktibo bereiziak dituzten marko metal-organikoko fotokatalizatzaileak garatzea.

Material bakar batean hainbat erredox gune independente konbinatzeak karga bereizketa eta garraio prozesuak maximizatuko lituzke, baita eguzki-argiaren bilketa ere; proposatutako materialen egitura- eta optoelektronika-propietateen karakterizazioa eta modelizazioa; eta fotosintesi artifizialeko gailuetan materialen ebaluazioa. Fase honetan, transmisio ona, argiaren banaketa uniformea eta espektro osoan energiaren bilketa maximizatzen duen eguzki-fotoerreaktore bat garatuko da. HYMAPek aukera bikaina emango dit ikerketa-talde ondo finkatu bat zuzentzeko.

Nire ibilbide zientifikoan zehar, pentsamendu sortzailea, autonomia eta katalisi heterogeneoan, erreaktoreen karakterizazioan, modelizazioan eta ingeniaritzan ikerketa aurreratuak egiteko gaitasun bikaina erakutsi ditut. Ikerketa-ibilbide bikaina dut, argitalpen zientifiko ugari, esperientzia profesional zabala, proiektuen diseinu berritzailea eta nazioarteko lankidetza-sare sendoa islatuta. Honek, nire lidergo eta kudeaketa trebetasunekin batera, proiektu honetan aipatutako helburuen arrakasta bermatuko du. HYMAP azken ERC-CoG deialdian A kalifikazioa (2. fasea) jaso zuen proposamen baten bertsio berrikusia da.

Results

Natura imitatuz, fotosintesi artifizialak eguzki-argia erabiltzen du CO2 eta ura energia sortu eta askatzen duten konposatu bihurtzeko. Baina landare berdeekin gertatzen den bezala azukreak sortu beharrean, fotosintesi artifizialak karbono monoxidoa (CO), metanoa (CH4), metanola (CH3OH) eta hidrogenoa (H2) sor ditzake, eta horiek guztiak erregai berde baliotsuak dira.

Europako Ikerketa Kontseiluak (ERC) finantzatutako HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis) proiektua sortu zen material eta gailu organiko-ez-organiko hibridoen belaunaldi berri bat garatzeko, fotosintesi artifizialerako beharrezkoak diren eraldaketa kimikoak egiteko. Horrek bidea zabalduko luke baterien biltegiratze elektrokimikoko elektrodoen alternatiba berdeak garatzeko. Taldeak foto(elektro)katalisia ikertu zuen eskala desberdinetan, nanoeskalako katalizatzaileetatik hasi eta erreaktore pilotuetaraino, material hibrido fotoaktibo berriak sortuz. "Gure emaitzak, batez ere etekina handitzen dutenak, CO2 bihurketaren arloko ezagutzaren abangoardian daude, mugarri bat markatuz ikerketa-arlo honetarako", dio Víctor A. de la Peña O'Shea ikertzaile nagusiak, New Yorkeko Unibertsitateko IMDEA Energia Institutukoak (leiho berri batean irekiko da). Ondorioz, aurkikuntza zientifikoak aldizkari garrantzitsuetan zabaltzen ari dira. Proiektuaren erdieroale organikoen familia berria, Conjugated Porous Polymers (leiho berri batean irekiko da), dagoeneko patentatu da eguzki-erregaien ekoizpenerako. Material hibridoak

HyMAP-en helburu nagusia eguzki-espektro osoko argia biltzeko gaitasun hobetuak zituzten sistema multifuntzionalak garatzea zen.

Horretarako, taldeak fotokatalizatzaile hibridoak aztertu zituen, hainbat material eta ikuspegi aztertuz. Hartutako estrategia desberdinak hauek izan ziren: (i) erdieroale ez-organikoen eta (ii) organikoen banda-tarteen ingeniaritza; (iii) baita haien heterojuntura erlazionatuak ere; (iv) egitura metal-organikoak (MOF); eta (v) goranzko bihurketa (UC). Lehenengo lau aukerekin, argi-espektroaren eskualde ikusgaiekin batera ultramorea bildu daiteke, eta UCek, berriz, infragorri uhin-luzeraren bilketa hobetzen dute. Garrantzitsua da erdieroale ez-organikoek eta organikoek karga-sorkuntza eta -transferentzia hobetzea, fotokatalisiaren errendimendua handituz. "Material desberdinen konbinazioak, bakoitza erreakzio fotokatalitikoen funtzio bereizietan espezializatuta —batez ere argiaren xurgapena, kargaren bereizketa eta katalisia—, eraginkortasun orokorra hobetu zuen", azaldu du de la Peña O'Sheak.

Material hauen erreakzio-mekanismoak laborategian karakterizatu ziren in situ teknika aurreratu ugari erabiliz, besteak beste, giro-presiotik gertu, X izpien fotoelektroi espektroskopia, X izpien difrakzioa eta sinkrotroi erradiazioa. Eguzki-erreaktorea Taldearen ikerketek polimero porotsu konjugatu batez egindako heterojuntura hibrido organiko/ez-organikoek errendimendu bereziki altua zutela agerian utzi zutenez, gas-faseko eguzki-erreaktore bat diseinatu zuten. Eguzki-islatzaile batez, sarrerako eguzki-erradiazio guztia erreaktorera birbideratzen duen kolektore paraboliko konposatu batez eta tenperatura altuekiko erresistenteagoa den borosilikatozko beirazko erreaktore anular tubular batez osatuta zegoen.

Prototipo erreaktore honek eguzki-hidrogenoa arrakastaz ekoizten duela frogatu da, bai uretatik bai biomasetik, baita beste erregai edo produktu kimiko batzuetatik ere, hala nola CO, CH4 eta CH3OH, CO2 erreaktibo gisa erabiliz. "Eguzki-erregaien ekoizpenerako emaitza bikain hauek dagoeneko pilotu planta bat sortzea ekarri dute, gure ezagutza handituz eta merkatu-aukerak aztertu aurretik prozesuak doitzeko aukera emanez", dio de la Peña O'Sheak. "Material hibrido hauen erabilera zabaldu behar dugu beste erreakzio batzuetarako, foto-tik haratago, foto(elektro)katalisia barne, erregai eta produktu kimiko sofistikatuagoetarako, hala nola amoniakoa, etilenoa eta dimetil eterra". Eskalatzea erronka berriei aurre egiteko HyMAP taldeak ERCk finantzatutako NanoCPPs kontzeptu-proba proiektu bat abiarazi du dagoeneko, nanoegituratutako polimero porotsu konjugatuak eskalatzen dituen kontzeptu-proba bat garatzeko. "Polimero honen nanoegiturak propietate hobetuak eskaintzen ditu, errendimendu hobea lortzeko atea irekiz", gaineratu du.

Geratzen den erronka bat sistema hauen propietate elektronikoak benetan maximizatzea da, baterien egungo biltegiratze elektrokimikoko elektrodoen alternatiba ingurumena errespetatzen duten proposatutakoak benetan aurrera egin eta errealitate bihur daitezen.

Koordinatzaileak

Fundacion IMDEA Energia

Beste estekak

H2020 HyMAP Proiektua: Fotosintesi Artifizialerako Material Hibridoak

Lotutako proiektuak