El próximo 14 de mayo las 11:30 horas tendrá lugar la defensa pública de la tesis doctoral de  desarrollada en la Unidad de Sistemas Eléctricos de IMDEA Energía y dirigida por Milan Prodanovic, responsable de esta unidad, y Javier Roldán, investigador titular de la misma.

La defensa tendrá lugar en la Universidad de Comillas.

Con motivo del Día Mundial Mundial de la Tierra que se conmemora el 22 de abril, IMDEA Energía ha abierto sus puertas a estudiantes de Secundaria del Instituto Antonio Gala de Móstoles.

Los alumnos y alumnas han visitado instalaciones como los laboratorios de Procesos Electroquímicos y Procesos Biotecnológicos, la planta piloto de microorganismos fotosintéticos y de Procesos Electroquímicos y el simulador solar y el campo solar, de la Unidad de Procesos de Alta Temperatura.

Los investigadores e ivnestigadoras del centro han explicado su trabajo de una forma práctica, resolviendo cuestiones y acercando al alumnado la importancia de avanzar y de contribuir hacia un futuro sostenible garantizando el cuidado del medio ambiente.

La transición hacia una economía sostenible es crucial en la lucha contra el cambio climático. En esta carrera hacia un futuro más limpio, las pilas de combustible a base de hidrógeno se presentan como una solución al problema energético mundial. Sin embargo, aún presentan algunos desafíos, como su elevado coste y durabilidad.

Grupos de investigación del Instituto IMDEA Energía (España), la Universidad de La Laguna (España), la Universidad de Tartu (Estonia) y el Instituto Charles Gerhard Montpellier (Francia) hemos combinado esfuerzos para encontrar una potencial solución. El proyecto C-MOF.Cell surge como una propuesta al desarrollo de pilas de combustible eficientes y asequibles para un futuro más sostenible.

Pilas que convierten el hidrógeno en electricidad

Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico o PEMFC, por sus siglas inglesas, han emergido como una solución prometedora para abordar los desafíos energéticos de la actualidad.

Estos sistemas electroquímicos, compuestos por un cátodo, un ánodo y una membrana electrolítica que permite el movimiento de iones a través del dispositivo, convierten el hidrógeno en electricidad con la emisión de agua como residuo, es decir, sin emitir contaminantes atmosféricos y utilizando fuentes renovables.

Esta tecnología presenta ventajas muy atractivas cuando se compara con otro tipo de dispositivos como las baterías o pilas alcalinas.

Las PEMFC son menos pesadas y más compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones en dispositivos portátiles como los teléfonos inteligentes o el transporte. Además, son capaces de acumular más carga, cargarse más rápidamente y funcionar durante periodos más largos de tiempo mientras reciba una entrada constante de combustible (hidrógeno).

Por supuesto, la característica más destacable es su bajo impacto medioambiental, pues no emiten gases de efecto invernadero ni contaminantes.

Naves espaciales propulsadas por hidrógeno

Estos factores han llevado a muchos países a apostar por esta tecnología y usar el hidrógeno cómo vector energético para una movilidad sostenible. Por ejemplo, ciudades como Madrid ya han incorporado autobuses propulsados por hidrógeno en sus calles.

Actualmente, son uno de los principales candidatos para sustituir a la tecnología de pilas de combustible alcalinas.

Es tal el interés por este tipo de tecnología que desde los años 2000 se están realizando grandes esfuerzos para optimizar su implantación en expediciones aeroespaciales. Desde los vuelos espaciales Gemini llevados a cabo por la NASA, la tecnología PEMFC está evolucionando a pasos agigantados, desplazando el uso de pilas alcalinas en este área.

Sin embargo, se enfrenta aún a varios desafíos que limitan su implantación. Por un lado, es dependiente de metales preciosos muy escasos y costosos, como el platino. Por otro, es muy sensible a las condiciones de operación –variaciones en la temperatura, humedad o presión pueden afectar a la membrana electrolítica de la pila, modificando su conductividad–, lo que afecta su durabilidad a largo plazo y limita su viabilidad en comparación con las tecnologías basadas en combustibles fósiles.

Nuevos materiales avanzados multifuncionales

Dentro del marco del proyecto europeo C-MOF.Cell, cada uno de los grupos de investigación ha aportado su experiencia única y conocimientos acerca de ciertos materiales innovadores para abordar los desafíos que enfrentan estos dispositivos.

En la Unidad de Materiales Porosos Avanzados del Instituto IMDEA Energía desarrollamos la síntesis de una clase de materiales conocidos como polímeros de coordinación porosos o MOF, por sus siglas en inglés (Metal-Organic frameworks).

Los MOF que hemos desarrollado han mostrado el potencial de mejorar la conductividad protónica –es decir, facilitar el movimiento libre de los iones o transportadores de carga a través del dispositivo– y la estabilidad de las membranas, abordando así uno los principales problemas de las PEMFC.

Por su parte, la Universidad de Tartu y la Universidad de La Laguna se enfocan en sintetizar catalizadores libres de metales preciosos para reemplazar el platino en los electrodos de estas pilas, con el objetivo de mejorar la eficiencia y reducir costes de producción.

Además, el Instituto Charles Gerhard Montpellier realiza el ensamblado y testado del dispositivo final, junto con estudios de simulación para identificar los mejores materiales en esta aplicación.

Fruto de estos esfuerzos, se han publicado varios trabajos de investigación en revistas prestigiosas con resultados muy prometedores. Entre los avances conseguidos, cabe destacar un MOF basado en bismuto y otro MOF composite basado en zirconio y potasio que han mostrado valores de conductividad protónica competitivos, similares a electrolitos comerciales.

También se han conseguido preparar electrodos basados en metales de transición y materiales bidimensionales con una alta eficiencia sin usar el tan preciado platino.

En conjunto, la labor investigadora de estos grupos ha impulsado el desarrollo de una pila de combustible en la búsqueda de un avance significativo hacia la creación de PEMFC más eficientes y accesibles.

Un futuro más limpio y sostenible

En resumen, el futuro de las PEMFC es bastante prometedor, pero enfrenta varios desafíos importantes que deben abordarse para alcanzar su máximo potencial. Entre ellos figura la reducción de costes de producción, la mejora de la infraestructura de generación de hidrógeno actual, optimizar su durabilidad y eficiencia y escalar la tecnología para extender su implantación.

Por tanto, se espera que el proyecto C-MOF.Cell no solo contribuya al desarrollo de nuevas pilas de hidrógeno, sino que también cumpla con las exigencias y prioridades establecidas por la Unión Europea a través de iniciativas como Horizonte 2020, que promueven el desarrollo de tecnologías limpias y sostenibles.

IMDEA Energía, en el contexto del proyecto TODENZE (ERC-Advanced Grant), ha organizado la Escuela Internacional de Materiales Zeolíticos con el apoyo del Grupo Español de Zeolitas de la Sociedad Española de Catálisis.

La escuela se ha celebrado en Zamora durante los días 10 – 12 de abril, contando con un total de 52 participantes procedentes de instituciones de 10 países diferentes.

El evento ha consistido en 10 conferencias invitadas, 26 presentaciones orales y 2 mesas redondas, en las que se han puesto de relieve los avances mas recientes en la síntesis de materiales zeolíticos y en el desarrollo de sus aplicaciones en campos tan diversos como la energía sostenible, la economía circular,, los biocombustibles avanzados y la biomedicina, tal y como destaca el Profesor David Serrano, presidente del comité organizador de este evento.

Garantizar la disponibilidad de agua dulce supone un desafío a escala global, con el 80% de la población mundial en riesgo de escasez o inseguridad hídrica. Además, el agua desempeña un papel esencial en el equilibrio de los ecosistemas y la preservación de la biodiversidad en todo el planeta.

La contaminación del agua es uno de los mayores retos de la sociedad actual, particularmente como consecuencia de los nuevos contaminantes antropogénicos denominados contaminantes orgánicos emergentes (Emerging Organic Contaminants, EOCs, en inglés).

Los EOCs incluyen productos farmacéuticos, de cuidado personal, colorantes, pesticidas, productos veterinarios e industriales, y su presencia puede tener efectos negativos en los organismos vivos, incluso a concentraciones reducidas, del orden de microgramos a nanogramos por litro. En las aguas fluviales se han encontrado más de 200 productos farmacéuticos. Estudios recientes revelaron concentraciones ambientalmente preocupantes de contaminantes farmacéuticos en más de una cuarta parte de 1.052 ubicaciones analizadas en 104 países (2). Este hecho, junto con las bajas tasas de eliminación (<50%) de muchas de las tecnologías de EDAR actualmente implementadas, han dirigido el interés hacia métodos de eliminación alternativos, incluido el uso de adsorbentes.

Aunque se han propuesto métodos para el tratamiento de aguas con EOCs, éstos no consiguen su eliminación en cantidad suficiente, por lo que es preciso buscar nuevas alternativas más eficientes.

En este contexto, investigadores de la Unidad de Materiales Porosos Avanzados del Instituto IMDEA Energía, en colaboración con la Universidad de Estocolmo, ha desarrollado un nuevo material denominado SU-102 altamente poroso y estable, que se sintetiza a partir de zirconio y ácido elágico, un compuesto polifenólico comestible, lo que destaca la posibilidad de crear materiales multifuncionales estables de alto rendimiento a partir de componentes vegetales sostenibles.

El material SU-102 se ha diseñado para eliminar los EOCs de las aguas, incluido el efluente real de una estación depuradora de aguas residuales urbanas, EDAR. Este material retiene EOCs catiónicos con eficiencias particularmente altas, de los 17 EOCs farmacéuticos detectados en el efluente de la EDAR, las 9 especies catiónicas se eliminaron con eficiencias entre el 79,0 y el 99,6%, lo que pone de manifiesto la importancia de la carga en la estructura del material para la selectividad. Como mecanismo adicional de eliminación de EOCs, el material SU-102 fue capaz de fotodegradar el antibiótico sulfametazina utilizando luz visible.

Para investigar más a fondo la eliminación de EOCs mediante SU-102, se seleccionaron tres fármacos que se encuentran frecuentemente en altas concentraciones en aguas residuales y que a menudo se eliminan deficientemente en las EDAR: el b-bloqueante atenolol (At), el antibiótico veterinario sulfametazina (SMT) y el antiinflamatorio diclofenaco (DCF). Estos fármacos pueden tener efectos tóxicos graves, como disfunción renal, desequilibrio hormonal y/o desarrollo de resistencias bacterianas. Utilizando concentraciones elevadas de los EOCs en agua de grifo , SU-102 pudo eliminar rápidamente ( en 2 h) el 70, 19 y 11%, respectivamente.

Por otro lado, también se realizaron estudios de fotodegradación de At, SMT y DCF con SU-102 en condiciones similares a los experimentos de adsorción. Mientras que At y DCF parecen eliminarse exclusivamente por adsorción, SU-102 actuó como un eficiente fotocatalizador en la degradación de SMT (38% para adsorción frente al 100% para fotodegradación con luz visible), manteniendo su integridad química y estructural.

El estudio muestra de esta forma que la combinación de procesos catalíticos y de adsorción en un solo material podría allanar el camino para eliminar una gran variedad de EOCs del agua contaminada y cómo el uso de adsorbentes elaborados a partir de componentes de origen sostenible facilitaría el secuestro altamente eficiente de una amplia gama de contaminantes, un aspecto crucial para garantizar la disponibilidad de agua dulce y al mismo tiempo cumplir con el objetivo general de la sostenibilidad.

El responsable de la Unidad de Análisis de Sistemas de IMDEA Energía y catedrático de la Universidad Rey Juan Carlos, Javier Dufour, ha sido elegido como parte del equipo de expertos que componen el Panel Europeo en Sostenibilidad y Circularidad del Hidrógeno de la Clean Hydrogen Partnership.

Tras un riguroso proceso de selección, el panel está compuesto por 15 distinguidos expertos de toda Europa, y tiene dos misiones principales:

1. Orientar la integración de la sostenibilidad: El panel colaborará estrechamente con Clean Hydrogen Partnership para incorporar consideraciones de sostenibilidad y circularidad tanto a nivel de programa como de proyecto. Esto abarca dimensiones ambientales, sociales y económicas, garantizando un enfoque holístico para la innovación del hidrógeno. 
2. Difusión del conocimiento: aprovechando la experiencia de sus miembros, el panel promoverá y difundirá activamente el conocimiento para fomentar una cultura de sostenibilidad y circularidad dentro de nuestro programa y más allá, catalizando una transformación más amplia en toda la industria. 

De esta forma, los expertos encabezarán una serie de actividades sobre sostenibilidad y circularidad en toda la cadena de valor del hidrógeno abordando consideraciones tanto a nivel de programa como de proyecto. Sus esfuerzos abarcarán las dimensiones medioambiental, social y económica, impulsando el progreso hacia una economía del hidrógeno más sostenible organizados en cuatro grupos de trabajo: 

• Producción de hidrógeno (TF1) -liderado por Dufour-
• Almacenamiento y distribución de hidrógeno (TF2)
• Usos finales del hidrógeno (TF3)
• Cuestiones transversales (TF4)

Su experiencia colectiva será fundamental para dar forma a un futuro sostenible y neutro en carbono para las tecnologías del hidrógeno, consolidando la posición de Europa como líder mundial en este movimiento fundamental para el cuidado del medio ambiente.

La cartera tecnológica de IMDEA Energía, de la que se ha realizado una nueva publicación actualizada, ha sido presentada en el Foro Transfiere 2024 celebrado en Málaga del 20 al 22 de marzo. Al igual que en ediciones anteriores, el Instituto estuvo presente en el stand de la red IMDEA dentro del Pabellón de la Comunidad de Madrid y en el de la alianza SOMMa de centros de investigación con acreditación de excelencia Severo Ochoa o María de Maeztu de la Agencia Estatal de Investigación.

Los asistentes al Foro, procedentes de entidades de diversos sectores y tamaños, desde pequeñas empresas de base tecnológica hasta grandes corporaciones, tuvieron la oportunidad de conocer las nuevas tecnologías desarrolladas y mantener reuniones en las que profundizar sobre las posibilidades de transferencia de aquellas que suscitaron su interés para llevar a mercado y ampliar el campo de actividad.

El Foro también permitió compartir novedades, sinergias y retos con las plataformas tecnológicas y otras asociaciones de las que el Instituto IMDEA Energía forma parte.