14/10/2014 - Dos proyectos sobre el grafeno de la UCA, seleccionados en la convocatoria EXPLORA

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Más de 1.120 proyectos de investigación de toda España concurrieron en 2013 a la convocatoria EXPLORA del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de la Innovación, impulsada desde el Ministerio de Economía y Competitividad. De ellos, y a espera de una resolución definitiva, han sido seleccionados 89, cinco de ellos de origen andaluz, de los cuales dos pertenecen a la Universidad de Cádiz.

De hecho, ambos trabajos de investigación tienen un punto de partida común: elgrafeno, una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito. Entre sus propiedades más sobresalientes se encuentran que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido. Es más, se podría decir que el grafeno tiene muchas propiedades que no se habían encontrado antes en ningún otro material.

El primero de los proyectos aprobados se denomina Membranas nanoEstructuradas Disruptivas para el tratamiento Eficiente del Agua (MEDEA) y ha sido impulsado por el profesor Juan Antonio López Ramírez, del departamento de Tecnología del Medio Ambiente. A través de esta iniciativa se pretende emplear grafeno puro y nanografito con el objetivo de fabricar membranas de nanofiltración absolutamente novedosas mediante nuevas técnicas, y, que de ser viables, podrían revolucionar la fabricación de este tipo de herramienta. Las membranas que se emplean en desalación son materiales poliméricos que actúan como barreras al paso de las sales y los contaminantes mientras que solo dejan pasar el agua. Pero tienen como característica que cuanto más gruesas son más sales rechazan, pero menos agua dejan pasar. Por ello, emplear materiales finos de tipo atómico como el grafeno puede conducir a crear membranas mucho más permeables y más productivas, que pueden reducir el impacto del consumo de energía en el proceso de desalación, a la vez que aumentar la producción de agua.

Para conseguir los objetivos del proyecto, el profesor López Ramírez coordina un consorcio multidisciplinar en el que se encuentran cuatro grupos de investigación universitarios, de los cuales tres son de la UCA (Tecnologías del Medio Ambiente, Materiales y nanotecnología para la innovación y Sistemas Inteligentes de Computación) y uno de la Universidad Autónoma de Madrid (Nanomateriales de baja dimensionalidad). Asimismo, en este consorcio  participan el Instituto Andaluz del Plástico (ANDALTEC) y dos empresas tecnológicas: Graphenea y Nanoinnova. Todos son expertos en su campo y aportan sus conocimientos para desarrollar nuevas técnicas que permitan construir las membranas más finas y eficientes para la desalación del agua.

Reducción del contenido de metales nobles

El segundo proyecto respaldado dentro de la convocatoria EXPLORA ha sido coordinado por el investigador Ramón y Cajal, Juan José Delgado, y se denomina Dispersión atómica en catálisis heterogénea: ¿es realmente una utopía para la reducción del contenido de metales nobles en las celdas de combustible?

Para entender mejor el reto de este trabajo es importante explicar que la catálisis y la nanotecnología han ocupado un lugar de referencia en los últimos años para el desarrollo de nuevos procesos que permiten la utilización de materias primas o combustibles alternativos, como la biomasa, el hidrógeno o la energía solar, así como mejorar la eficiencia en la producción de energía. Sin embargo, el alto coste y baja abundancia de algunos de sus componentes, tales como los metales nobles, puede hacer peligrar seriamente el futuro de dichas tecnología. Por este motivo, es prioritario encontrar nuevos métodos que permitan reducir la dependencia de estos metales o incluso su sustitución.

Este proyecto se basa en abordar una de las cuestiones más interesantes y controvertidas en catálisis: cómo obtener catalizadores estables basados en metales dispersos a escala atómica. De hecho, son notables los esfuerzos realizados hasta la fecha para reducir el tamaño de las partículas metálicas y mejorar con ello la actividad, aunque en general los resultados han dado lugar a muestras inestables o con muy bajos contenidos de metal.

Así las cosas, este proyecto pretende evaluar si es posible depositar selectivamente y estabilizar átomos metálicos en los defectos superficiales del grafeno, el cual puede ser fácilmente funcionalizado con grupos nitrogenados y oxigenados. Estos grupos pueden cambiar su carga en disolución acuosa según el pH. Por tanto, la elección de un precursor del metal con carga opuesta en las mismas condiciones de pH podría permitir su adsorción selectiva en dichos defectos por interacción electrostática. Estos átomos se estabilizarían gracias a la formación de enlaces, es decir, se tratará de dispersar atómicamente algunos metales para evaluar si es posible reducir o eliminar el Pt de los electrodos de las pilas de combustible. Si bien este punto también puede parecer atrevido, existen estudios teóricos que parecen indicar todo lo contrario.

Para llevar a cabo este reto, Delgado contará con un equipo interdisciplinar en el que se encuentran investigadores de tres grupos de la UCA (Estructura y química de nanomateriales, Estabilidad y mecanismo de reacciones inorgánicas y Química de Sólidos y Catálisis), además de dos investigadores extranjeros de prestigiosos centros de la Unión Europea como son la University Pierre et Marie Curie y el Centre for the Theory and Application of Catalysis (CENTACAT).

Reevaluación de los paradigmas establecidos

La convocatoria EXPLORA tienen como fundamento desarrollar proyectos de investigación cuyos objetivos suponen la reevaluación de paradigmas establecidos, objetivos interdisciplinares, búsqueda de nuevas aplicaciones en diferentes disciplinas científicas y tecnológicas y pruebas de concepto. Los proyectos que se presentan deben ser propuestas de investigación imaginativas y radicales cuya viabilidad pudiera ser considerada baja en programas convencionales, pero en las que existan indicios que justifiquen acometer su exploración usando metodología científica. Estas acciones pueden incluir investigaciones en la frontera del conocimiento propuestas con rigor científico dentro de cualquier área temática.

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