Descripció del projecte
Les creixents preocupacions sobre els efectes de l’escalfament global i el canvi climàtic han portat a la recerca de tecnologies ambientalment netes i eficients energèticament. La identificació i l’ús de recursos renovables és vital per al desenvolupament sostenible de la societat moderna, especialment en el món de l’energia. L’hidrogen és un de les noves fonts d’energia més populars, considerant-se com un portador d’energia neta per al futur. El projecte proposat s’ajusta a la Directriu de Transició Ecològica, ja que la proposta se centra principalment en el desenvolupament de foto-termo-catalitzadors (base metalls de transició) sostenibles i eficients per a l’obtenció d’hidrogen a partir del biogàs i biometà, utilitzant la llum solar com a font d’energia. El projecte pretén ajudar a aconseguir la independència dels combustibles fòssils explorant una nova solució basada en l’ús i transformació del biogàs generat a partir de residus urbans o vegetals a hidrogen. L’objectiu final és aconseguir els substrats foto-termo-catalítics que de forma eficaç i amb un balanç de carboni neutre o fins i tot negatiu, mitjançant l’ús de la llum solar, condueixin de manera eficient a l’hidrogen, un bio-combustible que permet emmagatzemar-se i alimentar sistemes en el camp del transport, energia i indústria.
Hipòtesi inicial i novetat
La hipòtesi inicial del projecte és conjugar el comportament plasmònic i l’eficiència fototèrmica de materials nanoestructurats i les seves propietats catalítiques altament eficients per poder oferir una ruta de síntesi foto-termo-catalítica impulsada exclusivament per la llum solar per produir hidrogen verd d’alt valor a partir de la biomassa dels residus.
Novetat i progrés sobre l’estat de l’art
Els catalitzadors heterogenis, els materials nanoestructurats bimetàl·lics i multi-metàl·lics amb grans superfícies, estabilitat i eficiència catalítica millorada són extremadament necessaris per afrontar l’escalfament global i el canvi climàtic, especialment la crisi energètica. La síntesi i caracterització – propietats estructurals, foto-termo-catalítiques i òptiques – però també la millora de la seva eficiència, reusabilitat i reciclabilitat centren la major part de la recerca en aquest àmbit. En aquest projecte ens centrarem en la síntesi, caracterització i optimització de foto-termo-catalitzadors fàcilment escalables; basats en superfícies poroses base metalls de transició. En tots els substrats preparats analitzarem en profunditat el paper dels plasmons de superfície localitzats a la pel·lícula mesoporosa micro-nanoestructurada per millorar l’ eficiència fototèrmica i catalítica en la producció d’hidrogen. Tanmateix, l’acoblament d’aquests catalitzadors a reactors a escala industrial és una segona etapa a investigar, ja que el disseny, materials i arquitectura del reactor seran també factors crucials en el rendiment del procés. Com a repte final, per a la producció de l’hidrogen, és pretén aconseguir rebaixar la temperatura de reacció dels gasos reactants (CH4/CO2). L’objectiu general del projecte és el desenvolupament de foto-termo-catalitzadors micro/nanoestructurats base níquel dopats amb metalls de transició, capaços d’absorbir més del 50% de la intensitat de la llum solar, per a la síntesi eficient d’hidrogen verd. El foto-termo-catalitzador serà un substrat microestructurat 3D preparat electroquímicament, amb superfície nanoestructurada/mesoporosa per afavorir el contacte amb els reactius. El procés electroquímic de preparació del substrat permetrà ajudar a modular les propietats en funció de les condicions de preparació, i alhora facilitar un posterior procés de preparació escalable. En quant al reactor, s’exploraran configuracions que maximitzin l’eficiència de la reacció foto-termo-catalítica de síntesi del producte en condicions de flux. En totes les configuracions catalítiques es buscarà potenciar la combinació de les característiques per maximitzar l’eficiència energètica i catalítica del reactor: (i) absorció de la radiació independent de banda ultra-ampla i angle amb una eficiència d’absorció de més del 80% en tot l’espectre solar, (ii) interacció optimitzada entre reactius i pel·lícula catalítica, així com la eliminació ràpida dels productes obtinguts en reaccions de flux, donada pels substrats microestructurats 3D i (iii) control de temperatura mitjançant l’explotació del flux de fluid com a refrigerador actiu. El projecte de Tesi proposat és altament multidisciplinari que es basa en conceptes avançats d’electroquímica, nanofototònica, catàlisis i nano-fabricació, a més de disciplines de química orgànica, enginyeria i ecologia. L’estreta col·laboració dels directors amb l’empresa garantirà una comunicació fluida i eficient per dissenyar i optimitzar el prototip fototermocatalític solar.
