A sostibilidade é necesaria e chega incluso á química, dende os procesos de degradación de plásticos ata a creación de baterías limpas. Neste último ámbito céntranse as liñas de investigación da doutora María Giménez López, investigadora do Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago, que se incorporou en febreiro de 2024 ao programa Oportunius da Xunta de Galicia.
Cunha traxectoria previa entre a Universidade de Valencia e a University of Nottingham, en 2018 Giménez volve a Galicia para establecerse no centro singular e investigar un reto global: crear materiais avanzados capaces de transformar e almacenar enerxía “de forma máis limpa, eficiente e sostible”.
Para iso, o traballo do seu equipo dende o CiQUS pódese definir en tres liñas de investigación centrais. En primeiro lugar, o deseño de electrocatalizadores de alta durabilidade que permiten, por exemplo, abaratar a produción de hidróxeno verde ou converter a enerxía química de certas moléculas algunhas de produtos de residuo con enerxía eléctrica. En segundo, o desenvolvemento de novos compoñentes para baterías electroquímicas, como os electrolitos. En terceiro, o desenvolvemento de baterías térmicas.
“En xeral, quero explorar conceptos emerxentes para o almacenamento enerxético do futuro”, sinala a investigadora da USC. Este ambicioso eixo de investigación vai acompañado tamén do grupo que dirixe, FunNanoMat Lab, cun crecemento e internacionalización considerable nos últimos anos que permite ampliar as liñas de investigación e seguir buscando a resposta para conseguir unha sociedade máis sostible.
Materiais híbridos e nanoswitches: para que serven?
No grupo de investigación da doutora Giménez desenvolven materiais híbridos para conseguir estas baterías máis sostibles, e nanoswitches como elementos versátiles cos que traballar. Pero que son? Por unha banda, os materiais híbridos combinan materiais de carbono, que actúan como “arquitectos” estructurais, con compoñentes inorgánicos como moléculas, clústeres ou nanopartículas con propiedades catalíticas ou redox. “Esta unión xera propiedades que ningún dos materiais tería por separado“, explica a investigadora, pois dan lugar a sistemas máis estables, eficientes e funcionais.
Entre os materiais cos que traballan tamén destacan os nanoswitches, capaces de cambiar a súa estrutura cando reciben un estímulo externo, como unha variación da presión ou da temperatura. Ese cambio modifica a forma en que almacenan ou liberan a enerxía. “As súas características poden empregarse en tecnoloxías de refrixeración limpa, baterías máis eficientes e en dispositivos intelixentes como sensores”, explica María Giménez.
O obxectivo, tanto dos materiais híbridos como dos nanoswitches, é aportar solucións innovadoras nun contexto onde a transición enerxética cara a sostibilidade esixe novas ideas e comportamentos na materia, e polo tanto, tamén aos investigadores que traballan con ela. Así, dende o CiQUS, Giménez López asegura que deseñan materiais “capaces de manter o seu rendemento durante miles de ciclos“, sinala.
Alternativa: as baterías zinc-aire
Con todo, que se podan reutilizar non é o único relevante: son materiais que non dependen de materias primas críticas como o cobalto, nin de metais preciosos. Aínda así, seguen sendo estables en condicións reais de operación, como un “avance fundamental para as baterías zinc-aire“, especialmente respectuosas co medio ambiente. Pero por que?
Estas baterías empregan osíxeno de aire como reactivo, almacenan enerxía renovable reducindo o osíxeno a auga e liberando novamente esa enerxía de maneira reversible oxidando a auga para rexenerar osíxeno. “Ao basearse en zinc representan unha das alternativas máis sostibles”, sinala a doutora Giménez, pois trátase dun material abundante e altamente reciclable.
Ao mesmo tempo, o seu equipo tamén está a desenvolver novas formulacións de electrolitos acuosos para outra vertente de baterías, zinc-bromo. “Melloran a seguridade, reducen custes e aumentan a reversibilidade do sistema”, indica. Estes son os pasos que están a dar dende o CiQUS para chegar a superar o reto das baterías.
Nin metais preciosos nin materias primas críticas
A fin de conseguir a estabilidade de materiais que fomenten a creación de baterías sostibles empregan diferentes estratexias: a hibridación con nanomateriais, o confinamento de catalizadores en estruturas protexidas e a optimización de transicións estruturais dentro de nanoarquitecturas de carbono son algunhas delas.
Por exemplo, a investigadora explica que en moitos electrodos, o material activo sofre ciclos de disolución e reprecipitación durante a carga e a descarga. “Se este proceso ten lugar nunha contorna aberta, o material tende a “perderse” co tempo e reduce a vida útil do dispositivo”, explica. Con todo, cando o mesmo material traballa nun espazo “restrinxido” de tan só uns nanometros, como o interior dunha nanoestrutura de carbono, mantense no seu lugar e funciona durante moito máis tempo.
“Estes avances apuntan cara sistemas de almacenamento máis seguros, asequibles e duradeiros“, explica. Dende infraestruturas críticas, como centros de datos ou hospitais, ata comunidades remotas onde se precisan solucións enerxéticas.
Combustible limpo e fogar
Moitos dos materiais desenvolvidos polo grupo FunNanoMat Lab están pensados para integrarse en tecnoloxías que usamos (ou usaremos) de xeito cotiá. Por exemplo, as baterías de zinc-aire e zinc-bromo poderían empregarse para almacenar a electricidade xerada polas placas solares, e dispor de enerxía cando non hai sol. “Garantiza o suministro de fogares e comunidades, e asegura a enerxía en infraestruturas críticas”, sinala Giménez.
O desenvolvemento de electrocatalizadores podería abaratar a produción de hidróxeno verde, o que impactaría no seu uso como combustible limpo en transporte, industria ou mesmo calefacción. Mentres, os sistemas de refrixeración limpa baseados en materiais sólidos poderían substituír aos refrixeradores e aires acondicionados actuais. “Poderían eliminar os gases contaminantes e reducir de forma significativa o consumo enerxético”, explica.
O equipo detrás de Giménez
O equipo da doutora Giménez do CiQUS está cheo de talento. Entre os seus membros, hai varios investigadores internacionais que chegaron por programas europeos como as Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowships. Grazas a eles, foi posibles abrir novas liñas de investigación, aínda incipientes: produción solar de amoníaco, desenvolvemento de ánodos para baterías de ion sodio ou mesmo electrodos de membrana para electrocatalizadores.
“O noso laboratorio converteuse nunha contorna interdisciplinar onde converxen química, nanomateriais e enerxía”, explica. Así, a colaboración entre equipos tamén é vital neste eido da investigación: traballan con grupos especializados en electroquímica, materiais ou enxeñaría para validar os materiais en condicións máis reais, realizar prototipos e acelerar a transferencia tecnolóxica.
A futuro, a ambición de Giménez López é converter os materiais desenvolvidos en prototipos funcionais: baterías metal-aire máis duradeiras, un novo concepto máis seguro e económico da batería zinc-bromo, e novos conceptos de baterías térmicas. A nivel profesional, quere seguir fortalecendo o grupo e atraer talento investigador.
Oportunius: recursos, estabilidade e visibilidade
O programa Oportunius permitiu a María Giménez López consolidar a súa investigación en Galicia con maior estabilidade e visión a longo prazo. “Ofrece recursos, estabilidade e visibilidade, o que facilita competir en convocatorias internacionais e ampliar equipo”, sinala. Ademais, segundo a doutora, o contexto galego permite conformar unha contorna atractiva para afondar na investigación en materias para enerxía dentro da comunidade.
Ademais, asegura que é “unha ferramenta moi potente para atraer talento con ideas novas e ambición”. Deste xeito, poden incorporarse ao ecosistema investigador galego cunha maior facilidade, con apoio institucional dende a Xunta de Galicia. Deste xeito, é un programa que, tal e como explica a investigadora, posiciona a Galicia como un destino competitivo para investigar en áreas estratéxicas, como a dos materiais e a enerxía.
Con todo, tamén hai retos, xa que non sempre é doado transformar as oportunidades en incorporacións no sistema universitario. Así, o talento galego está presente, pero Giménez busca tamén atraer a investigadores estranxeiros que podan nutrir a súa investigación nun plano tan importante como os retos futuros. “Estas tecnoloxías apuntan a un escenario onde a enerxía se produce, almacena e consume de forma sostible, segura e accesible, mellorando a nosa calidade de vida á vez que reducimos o impacto ambiental”, conclúe.
