Proxecto H2020 HyMAP: Materiais híbridos para a fotosíntese artificial

Tipo Proxecto
Estado Cheo
Execución 2015 -2022
Orzamento asignado 2.506.738,00 €
Ámbito Europeo
Comunidade Autónoma Madrid, Comunidad de
Fonte principal de financiamento Horizonte 2020
Páxina web do proxecto https://www.hymap.eu/

Descrición

A produción de combustibles solares mediante procesos fotosintéticos artificiais é un importante desafío científico e de enxeñaría debido á súa complexidade. Todas as abordaxes descritas ata a data abren novas vías para mellorar a redución fotocatalítica do CO2, pero aínda se necesitan novos catalizadores que imiten a fotosíntese natural cunha eficiencia suficiente para considerar a fotosíntese artificial un proceso industrial viable. Aínda que se fixeron avances considerables no deseño e síntese de varios catalizadores multifuncionais baseados en semicondutores, seguen habendo moitas preguntas fundamentais sobre os procesos de valorización do CO2. A complexidade e a falta de comprensión do papel destes novos sistemas na redución do CO2 fan necesarios máis estudos teóricos e experimentais para axudar a comprender o comportamento de diferentes catalizadores multifuncionais no proceso de fotosíntese artificial. Este proxecto propuxo varias estratexias innovadoras para evitar os problemas inherentes aos fotocatalizadores convencionais.

Os resultados descritos anteriormente representan un paso máis alá do estado da arte na produción de combustible solar, a síntese de novos materiais, o desenvolvemento de ferramentas de caracterización innovadoras e o deseño e construción da próxima xeración de fotorreactores solares. Este proxecto contempla impactos en diferentes áreas, con beneficios científicos, ambientais, sociais e económicos globais. Os beneficios científicos e tecnolóxicos baséanse na mellora da produción de combustible solar a partir da conversión de CO2, o que contribúe fortemente aos desafíos de H2020 e aos identificados por "The Energy Challenge", relacionados coas tecnoloxías baixas en carbono. O obxectivo principal é desenvolver e levar ao mercado solucións tecnolóxicas accesibles, rendibles e eficientes en canto aos recursos para descarbonizar de forma sostible o sistema enerxético, garantir o subministro de enerxía e completar o mercado interior da enerxía. Os avances máis significativos publicáronse en revistas SCI internacionais de alto impacto. Tamén se dedicarán esforzos significativos á difusión científica dos resultados máis atractivos obtidos, buscando comunicar e interactuar coa sociedade.

Ademais, é importante salientar que as solicitudes de patente se presentan cando se conseguen avances significativos con potencial alcance industrial.

Beneficios para o medio ambiente e a saúde. O HyMAP terá un impacto directo na redución do CO2 antropoxénico na atmosfera e, polo tanto, na loita contra o cambio climático, que ten un impacto directo no medio ambiente e na saúde, tal e como se resume nos desafíos e políticas da UE como a Acción Climática, o Medio Ambiente, a Eficiencia dos Recursos e as Materias Primas e Saúde 2020.
Beneficios económicos e sociais. A combinación de tecnoloxías presentadas neste proxecto podería ter un enorme potencial económico. Actualmente, están a dedicarse esforzos globais ao desenvolvemento de novos materiais para aplicacións emerxentes, como se propón aquí. É importante salientar que as solicitudes de patentes se presentarán cando se consigan avances significativos con potencial industrial. Desde unha perspectiva social, ademais dos beneficios ambientais e relacionados coa saúde, HyMAP contribuirá á difusión da ciencia en xeral e aos desafíos aos que se enfronta o proxecto en particular, a través de actividades intensivas de divulgación e promoción no noso sitio web ou noutros eventos nacionais ou internacionais como a Noite Europea dos Investigadores, a Semana da ERC e a Semana da Ciencia.

Descrición das actividades

O proxecto HyMAP implementouse en conxunto cos paquetes de traballo propostos na acción. O primeiro paquete de traballo, "Deseño e síntese de materiais híbridos multifuncionais", propuxo a síntese de heterounións innovadoras entre óxidos semicondutores inorgánicos e polímeros orgánicos condutores. Aproveitouse a enxeñaría de bandas prohibidas para obter novas formulacións de semicondutores inorgánicos. Posteriormente, aplicáronse nanopartículas de polietileno de alta resistencia (SPR-NP) metálicas a estes sistemas modificados para mellorar as selectividades cara aos hidrocarburos (CH4, C2+).

O equipo de HyMAP centrouse na síntese de novos polímeros porosos conxugados feitos á medida que ofrecen propiedades fotocatalíticas novas e melloradas que non exhiben os semicondutores inorgánicos. A preparación de heterounións híbridas con semicondutores inorgánicos leva a un aumento dos produtos de combustible solar e a maiores selectividades de hidrocarburos. Isto débese a unha maior absorción da luz, así como a un mellor control das dínamos de carga, que diminúen a recombinación e conducen a unha mellora da transferencia de electróns, o que resulta en maiores eficiencias. Ademais, desenvolveuse o deseño e a síntese racionais de novas estruturas metalorgánicas (MOF) con sitios activos redox ben separados como alternativa aos fotocatalizadores tradicionais.

Actualmente, describiuse a elucidación da estrutura destes novos MOF, así como estudos sobre a súa implementación como catalizadores para a fotosíntese artificial. Como segunda estratexia, alternativa aos fotocatalizadores semicondutores, propuxen o deseño e a síntese de estruturas metalorgánicas multifuncionais. Estes MOF sintetizáronse utilizando moléculas orgánicas funcionalizadas conxugadas seleccionadas axeitadamente (activas baixo luz UV e/ou visible, para mellorar a captación de luz) e dous tipos de metais reducibles que actuarán como dous sitios activos separados: un para a redución e outro para a oxidación. Fixéronse un grande esforzo para comprender as propiedades catalíticas estruturais e superficiais en condicións de reacción mediante o uso de técnicas innovadoras de caracterización in situ e operativa, incluíndo técnicas de sincrotrón como HP XPS, XRD...

Estes experimentos combináronse con estudos teóricos avanzados para determinar o efecto das propiedades electrónicas no mecanismo de reacción e na actividade. Esta información axudou a simplificar a síntese de catalizadores híbridos mellorados e a avanzar no proceso de fotorredución de CO2. Ademais, deseñei e montei un fotorreactor solar en fase gasosa que permite unha boa transmisión, unha distribución uniforme e maximiza a recollida da luz en todo o espectro xeral. Este fotorreactor está construído cun colector parabólico composto que concentra a radiación solar directa e a difunde, aumentando a conversión de CO2.

Descrición contextual

Un dos retos deste século é a xestión das enormes emisións de CO2. Unha alternativa ás tecnoloxías CCS é a súa transformación en produtos útiles. Na actualidade, explótase menos do 1 % destas emisións. Polo tanto, necesítanse novas tecnoloxías de reciclaxe de CO2 que utilicen fontes de enerxía sostibles. O obxectivo principal de HyMAP é o desenvolvemento e a integración dunha nova xeración de materiais e fotorreactores multifuncionais innovadores que poidan aproveitar a enerxía solar para fotorreducir o CO2 e convertelo en combustibles ou produtos químicos.

Obxectivos

O obxectivo de HyMAP é desenvolver unha nova xeración de fotocatalizadores híbridos multifuncionais e fotorreactores solares que poidan aproveitar polo menos o 1 % da enerxía solar para a fotorredución de CO2 utilizando auga como doante de electróns. Isto implicará unha conversión de CO2 de entre 12 e 35 toneladas/ano ha-1, dependendo da distribución do produto, o que representa unha mellora de polo menos 20 veces con respecto ao estado da técnica. Para acadar este obxectivo, propoño un programa de investigación interdisciplinar a través do cal se conseguirán varios avances a diferentes escalas: desenvolvemento de semicondutores orgánicos/inorgánicos multifuncionais eficientes e fotocatalizadores de estrutura metalorgánica con sitios activos redox separados.

A combinación de múltiples sitios redox independentes nun único material maximizaría os procesos de separación de carga e transporte, así como a captación da luz solar; caracterización e modelado das propiedades estruturais e optoelectrónicas dos materiais propostos; e avaliación dos materiais en dispositivos de fotosíntese artificial. Nesta fase, desenvolverase un fotorreactor solar que permita unha boa transmisión, unha distribución uniforme da luz e maximice a captación de enerxía en todo o espectro. HYMAP proporcionarame unha excelente oportunidade para dirixir un grupo de investigación ben establecido.

Ao longo da miña carreira científica, demostrei pensamento creativo, autonomía e unha excelente capacidade para levar a cabo investigacións de vangarda en catálise heteroxénea, caracterización de reactores, modelización e enxeñaría. Teño unha destacada traxectoria investigadora, reflectida nun bo número de publicacións científicas, unha ampla experiencia profesional, un deseño de proxectos innovador e unha forte rede de colaboración internacional. Isto, xunto coas miñas habilidades de liderado e xestión, garantirá o éxito dos obxectivos mencionados neste proxecto. HYMAP é unha versión revisada dunha proposta que recibiu unha cualificación A (2.ª fase) na última convocatoria ERC-CoG.

Resultados

Imitando a natureza, a fotosíntese artificial emprega a luz solar para converter o CO2 e a auga en compostos que producen e liberan enerxía. Pero en lugar de producir azucres, como ocorre coas plantas verdes, a fotosíntese artificial pode producir monóxido de carbono (CO), metano (CH4), metanol (CH3OH) e hidróxeno (H2), todos os cales son combustibles verdes valiosos.

O proxecto HyMAP (Materiais Híbridos para a Fotosíntese Artificial), financiado polo Consello Europeo de Investigación (ERC), foi creado para desenvolver unha nova xeración de materiais e dispositivos híbridos orgánicos-inorgánicos para realizar as transformacións químicas necesarias para a fotosíntese artificial. Isto allanaría o camiño para o desenvolvemento de alternativas ecolóxicas aos eléctrodos de almacenamento electroquímico para baterías. O equipo investigou a foto(electro)catálise a diferentes escalas, desde catalizadores a nanoescala ata reactores de plantas piloto, creando novos materiais híbridos fotoactivos. "Os nosos resultados, especialmente aqueles que aumentan o rendemento, están na vangarda do coñecemento no campo da conversión de CO2, marcando un fito para esta área de investigación", di o investigador principal Víctor A. de la Peña O'Shea do Instituto de Enerxía IMDEA da Universidade de Nova York (ábrese nunha nova xanela). En consecuencia, os achados científicos están a ser amplamente difundidos en revistas de alto perfil. A nova familia de semicondutores orgánicos do proxecto, Conjugated Porous Polymers (ábrese nunha nova xanela), xa foi patentada para a produción de combustible solar. Materiais híbridos

O obxectivo principal de HyMAP era desenvolver sistemas multifuncionais con capacidades melloradas para recoller luz de todo o espectro solar.

Para conseguilo, o equipo explorou fotocatalizadores híbridos, investigando varios materiais e enfoques. As diferentes estratexias adoptadas foron: (i) enxeñaría de banda prohibida de semicondutores inorgánicos e (ii) orgánicos; (iii) así como as súas heterounións relacionadas; (iv) estruturas metalorgánicas (MOF); e (v) conversión ascendente (UC). As catro primeiras opcións poden recoller a luz ultravioleta xunto coas rexións visibles do espectro luminoso, mentres que as UC melloran a recollida de lonxitudes de onda infravermellas. Fundamentalmente, os semicondutores inorgánicos e orgánicos melloran a xeración e transferencia de carga, aumentando o rendemento fotocatalítico. "A combinación de diferentes materiais, cada un especializado nas funcións separadas das reaccións fotocatalíticas (principalmente a absorción de luz, a separación de carga e a catálise) mellorou a eficiencia xeral", explica de la Peña O'Shea.

Os mecanismos de reacción destes materiais caracterizáronse no laboratorio empregando diversas técnicas in situ avanzadas, como a presión próxima á ambiente, a espectroscopia de fotoelectróns de raios X, a difracción de raios X e a radiación de sincrotrón. Reactor solar Dado que os estudos do equipo revelaron que as heterounións híbridas de semicondutores orgánicos/inorgánicos feitas dun polímero poroso conxugado tiñan un rendemento particularmente alto, deseñaron un reactor solar en fase gasosa. Consistía nun reflector solar, un colector parabólico composto que redirixe toda a radiación solar entrante de volta ao reactor e un reactor anular tubular feito de vidro de borosilicato, que é máis resistente ás altas temperaturas.

Demostrouse que este prototipo de reactor produce hidróxeno solar con éxito tanto a partir de auga como de biomasa, así como doutros combustibles ou produtos químicos, como CO, CH4 e CH3OH, utilizando CO2 como reactivo. «Estes excelentes resultados para a produción de combustible solar xa deron lugar a unha planta piloto, o que aumenta o noso coñecemento e nos permite axustar os procesos antes de considerar as oportunidades de mercado», afirma de la Peña O'Shea. «Necesitamos ampliar o uso destes materiais híbridos para outras reaccións, máis alá da fotocatálise, para incluír a foto(electro)catálise, para combustibles e produtos químicos máis sofisticados, como o amoníaco, o etileno e o dimetiléter». Ampliación para afrontar novos retos O equipo de HyMAP xa lanzou un proxecto de proba de concepto NanoCPPs financiado polo ERC para desenvolver unha proba de concepto que amplíe a escala os seus polímeros porosos conxugados nanoestruturados. «A nanoestrutura deste polímero ofrece propiedades melloradas, o que abre a porta a un mellor rendemento», engade.

Un reto pendiente é maximizar realmente as propiedades electrónicas destes sistemas para que as alternativas respectuosas co medio ambiente propostas aos actuais eléctrodos de almacenamento electroquímico para baterías poidan avanzar realmente e converterse en realidade.

Coordinadores

Fundacion IMDEA Energia

Outras ligazóns

Proxecto H2020 HyMAP: Materiais híbridos para a fotosíntese artificial

Proxectos relacionados