Nuevos materiales para un mundo más sostenible

Son jóvenes investigadores y les une el nexo común de querer construir un mundo más habitable a través de la utilización de nuevos materiales aplicados a las energías renovables. María Escudero y Guillermo Mínguez han sido este año los ganadores del Premio Fundación Princesa de Girona ex aequo en el apartado de Investigación Científica. Los premios, que reconocen la trayectoria de jóvenes de hasta 35 años, se entregaron en Girona.

Escudero investiga el desarrollo de catalizadores electroquímicos basados en nanopartículas metálicas, que tienen como finalidad la substitución de metales nobles para reducir los costes y aumentar la eficiencia en procesos de obtención de energía limpia. “Al final, la motivación principal es que podamos cambiar el modelo energético actual basado en combustibles fósiles por uno sostenible, basado en renovables”, explica esta ingeniera química nacida en Cáceres, que desde marzo de 2017 es profesora en la Universidad de Copenhague, donde dirige el grupo de Nano-electroquímica.

El equipo que dirige Escudero se centra en tres líneas de investigación: la obtención de combustibles limpios, como el hidrógeno; la generación de electricidad a partir de dispositivos como la pila de combustible; y la conversión de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono o el metano, en otros compuestos químicos de mayor interés o en combustibles limpios. “En el caso de compuestos químicos, éstos podrían ser de alto valor, como los polímeros, unos elementos que la industria necesita en grandes cantidades. En producirlos de manera sostenible, centramos hoy en día nuestras investigaciones”. 

Los dispositivos a los que se refiere Escudero son capaces de obtener hidrógeno a partir de la electrolisis del agua. “Una vez obtenido, lo podemos utilizar para generar electricidad en pilas de combustible, unos dispositivos también electroquímicos para obtener energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno”. Estas investigaciones ya tienen su aplicación en el sector de la movilidad.

El primer prototipo de vehículo con pila de hidrógeno salió al mercado de la mano de Toyota en el año 2015, y hoy en día tanto esta marca japonesa como su competidora Honda comercializan coches propulsados con esta energía limpia, que ya pueden verse circulando por las carreteras de California, los países nórdicos o Japón, país pionero a nivel global en movilidad limpia. “Son vehículos que tienen mucha autonomía, no contaminan en absoluto y las pilas se cargan en dos o tres minutos, un tiempo similar a la actual reposición de gasolina”, destaca.

La pila de hidrógeno es aplicable también a trenes, aviones, barcos o dispositivos electrónicos instalados en nuestros hogares. “Hay pilas de combustible de muchos tipos, y en el caso de los coches están optimizadas para un arranque rápido, pero podemos instalarlas en muchísimos ámbitos, tan solo se necesita que se produzca un cambio en el modelo energético y que éste vaya dirigido a priorizar las renovables”, reclama Escudero.

Uno de los problemas principales a los que se enfrenta la nueva economía del hidrógeno, pendiente de resolver, es que necesita grandes cantidades de agua, una materia prima no contaminante y económica en ciertos lugares, pero escasa en otros. Por otra parte, estos dispositivos también son capaces de almacenar energía solar o eólica que acaba perdiéndose porqué no se consume en su totalidad”, explica. La intermitencia de las energías renovables otorga si cabe mayor importancia a estas investigaciones ya que, apunta, “los electrolizadores nos permiten convertirla, almacenarla y usarla cuando sea conveniente”. Proporcionar a la sociedad un nuevo sistema energético basado en energía limpia y en elementos más sostenibles es su sueño.

Una porosidad que atrapa

Las investigaciones sobre nuevos materiales porosos, denominados Metal Organic Frameworks (MOF), desarrolladas por el otro premiado ex aequo en Investigación Científica, Guillermo Mínguez, también buscan tener gran repercusión en campos como el medio ambiente o la energía. Este investigador sevillano y su equipo del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia trabajan en la concepción, síntesis y preparación de nuevos materiales cristalinos y ordenados, unos entramados “que podrían considerarse como andamios moleculares nanométricos”, explica. Se trata de estructuras muy porosas, capaces de almacenar muchos tipos de elementos en su interior, que permiten hasta triplicar la superficie donde se ubican, como en el caso de los gases.

 “Imaginemos una botella vacía que queremos llenar de gas. Si utilizamos estos entramados metal-orgánicos, que forman una especie de canales nano-métricos como si de una esponja se tratara, las moléculas de gas introducidas en la botella interaccionaran con ellos y conseguiremos doblar y hasta triplicar la superficie de la botella vacía”, asegura Mínguez. Y nos explica que si desplegáramos todos los canales de un gramo de uno de estos materiales, la cantidad que cabe en una cucharilla de café, obtendríamos 7.000 m2 de superficie, como la de un campo de futbol.

Los alrededor de 70.000 tipos de MOF descritos actualmente permiten múltiples aplicaciones: triplicar la superficie de almacenaje de los depósitos de gas natural o hidrógeno de los vehículos; atrapar el CO2 de las fábricas, coches o aviones antes de salir a la atmósfera; alojar medicamentos, que serán liberados de manera controlada; captar el agua y liberarla más tarde, una aplicación muy útil en zonas desérticas; utilizarlos para crear sensores que sean magnéticos y conductores; o bien mezclarlos con otros materiales (composites), para crear híbridos.

“Combinando sus propiedades podemos mejorar o modificar algunas de ellas o bien surgen otras nuevas, que nos llevaran a distintas aplicaciones”. Así, pueden recubrirse los cascos de los aviones para captar el CO2 que expulsan o atrapar los óxidos nitrosos del diésel y transformarlos en materiales inocuos, como nitrógeno y oxígeno, al actuar en este caso como catalizadores. Una de los materiales que ha desarrollado el equipo de Mínguez en Valencia permite la eliminación del azufre que contiene el diésel, a través de un proceso de oxidación que lo convierte en un elemento soluble en agua.

Estos materiales sirven también para destruir otros elementos. Por ejemplo, los agentes químicos, como el gas sarín. Algunos de estos MOF son capaces de atrapar estos agentes y convertirlos en moléculas inocuas. El ministerio de Defensa de Estados Unidos está invirtiendo en algunos laboratorios para que desarrollen plenamente estos materiales y poder impregnar con ellos los uniformes de las tropas, de manera que en caso de recibir algún ataque con este tipo de agentes químicos, los nuevos materiales los neutralizarían.

Algunos de estos nuevos materiales ya han entrado en el mercado, y se comercializan como almacenaje de gases tóxicos, como la fosfina, un gas muy utilizado en ciertos procesos de la industria electrónica. “Este gas se almacena normalmente en botellas a alta presión. Si la botella tiene un escape, la alta presión hace que el gas tóxico se libere. En cambio, almacenándolo en estos nuevos materiales, por debajo de la presión atmosférica, en caso de percance el gas no se libera sino que el aire entra en la botella, como ocurre al abrir la bolsa de un envasado al vacío, aumentando la seguridad”, explica Mínguez. Una empresa norteamericana y varias inglesas ya están comercializando y utilizando este sistema de almacenaje, aunque la confidencialidad no permite dar más detalles.