La sostenibilidad es necesaria y llega incluso a la química, desde los procesos de degradación de plásticos hasta la creación de baterías limpias. En este último ámbito se centran las líneas de investigación de la doctora María Giménez López, investigadora del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS) de la Universidad de Santiago, que se incorporó en febrero de 2024 al programa Oportunius de la Xunta de Galicia.
Con una trayectoria previa entre la Universidad de Valencia y la University of Nottingham, en 2018 Giménez vuelve a Galicia para establecerse en el centro singular e investigar un reto global: crear materiales avanzados capaces de transformar y almacenar energía “de forma más limpia, eficiente y sostenible”.
Para eso, el trabajo de su equipo desde lo CiQUS se puede definir en tres líneas de investigación centrales. En primer lugar, el diseño de electrocatalizadores de alta durabilidad que permiten, por ejemplo, abaratar la producción de hidrógeno verde o convertir la energía química de ciertas moléculas, algunas de productos de residuo con energía eléctrica. En segundo, el desarrollo de nuevos componentes para baterías electroquímicas, como los electrolitos. En tercero, el desarrollo de baterías térmicas.
“En general, quiero explorar conceptos emergentes para el almacenamiento energético del futuro”, señala la investigadora de la USC. Este ambicioso eje de investigación va acompañado también del grupo que dirige, FunNanoMat Lab, con un crecimiento e internacionalización considerable en los últimos años que permite ampliar las líneas de investigación y seguir buscando la respuesta para conseguir una sociedad más sostenible.
Materiales híbridos y nanoswitches: ¿Para qué sirven?
No grupo de investigación de la doctora Giménez desarrollan materiales híbridos para conseguir estas baterías más sostenibles, y nanoswitches como elementos versátiles con los que trabajar. ¿Pero qué son? Por una parte, los materiales híbridos combinan materiales de carbono, que actúan como “arquitectos” estructurales, con componentes inorgánicos como moléculas, clústeres o nanopartículas con propiedades catalíticas o redox. “Esta unión genera propiedades que ninguno de los materiales tendría por separado“, explica la investigadora, pues dan lugar a sistemas más estables, eficientes y funcionales.
Entre los materiales con los que trabajan también destacan los nanoswitches, capaces de cambiar su estructura cuando reciben un estímulo externo, como una variación de la presión o de la temperatura. Ese cambio modifica la forma en que almacenan o liberan la energía. “Sus características pueden emplearse en tecnologías de refrigeración limpia, baterías más eficientes y en dispositivos inteligentes como sensores”, explica María Giménez.
El objetivo, tanto de los materiales híbridos como de los nanoswitches, es aportar soluciones innovadoras en un contexto donde la transición energética hacia sostenibilidad exige nuevas ideas y comportamientos en la materia, y por lo tanto, también a los investigadores que trabajan con ella. Así, desde lo CiQUS, Giménez López asegura que diseñan materiales “capaces de mantener su rendimiento durante miles de ciclos“, señala.
Alternativa: las baterías zinc-aire
Sin embargo, que se puedan reutilizar no es lo único relevante: son materiales que no dependen de materias primas críticas como el cobalto, ni de metales preciosos. Aun así, siguen siendo estables en condiciones reales de operación, como un “avance fundamental para las baterías zinc-aire“, especialmente respetuosas con el medio ambiente. ¿Pero por qué?
Estas baterías emplean oxígeno de aire como reactivo, almacenan energía renovable, reduciendo el oxígeno el agua y liberando nuevamente esa energía de manera reversible oxidando el agua para regenerar oxígeno. “Al basarse en zinc representan una de las alternativas más sostenibles”, señala la doctora Giménez, pues se trata de un material abundante y altamente reciclable.
Al mismo tiempo, su equipo también está desarrollando nuevos planteamientos de electrolitos acuosos para otra vertiente de baterías, zinc-bromo. “Mejoran la seguridad, reducen cuestes y aumentan la reversibilidad del sistema”, indica. Estos son los pasos que están dando desde lo CiQUS para llegar a superar el reto de las baterías.
Ni metales preciosos ni materias primas críticas
El fin de conseguir la estabilidad de materiales que fomenten la creación de baterías sostenibles emplean diferentes estrategias: la hibridación con nanomateriales, el confinamiento de catalizadores en estructuras protegidas y la optimización de transiciones estructurales dentro de nanoarquitecturas de carbono son algunas de ellas.
Por ejemplo, la investigadora explica que en muchos electrodos, el material activo sufre ciclos de disolución y reprecipitación durante la carga y la descarga. “Si este proceso tiene lugar en un entorno abierto, el material tiende a “perderse” con el tiempo y reduce la vida útil del dispositivo”, explica. Con todo, cuando el mismo material trabaja en un espacio “restringido” de tan sólo unos nanometros, como el interior de una nanoestructura de carbono, se mantiene en su lugar y funciona durante mucho más tiempo.
“Estos avances apuntan cara sistemas de almacenamiento más seguros, asequibles y duraderos“, explica. Desde infraestructuras críticas, como centros de datos u hospitales, hasta comunidades remotas donde se precisan soluciones energéticas.
Combustible limpio y hogar
Muchos de los materiales desarrollados por el grupo FunNanoMat Lab están pensados para integrarse en tecnologías que usamos (o usaremos) de manera cotidiana. Por ejemplo, las baterías de zinc-aire y zinc-bromo podrían emplearse para almacenar la electricidad generada por las placas solares, y disponer de energía cuando no hay sol. “Garantiza el suministro de hogares y comunidades, y asegura la energía en infraestructuras críticas”, señala Giménez.
El desarrollo de electrocatalizadores podría abaratar la producción de hidrógeno verde, lo que impactaría en su uso como combustible limpio en transporte, industria o incluso calefacción. Mientras, los sistemas de refrigeración limpia basados en materiales sólidos podrían sustituir a los refrigeradores y aires acondicionados actuales. “Podrían eliminar los gases contaminantes y reducir de forma significativa el consumo energético”, explica.
El equipo detrás de Giménez
El equipo de la doctora Giménez del CiQUS está lleno de talento. Entre sus miembros, hay varios investigadores internacionales que llegaron por programas europeos como las Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowships. Gracias a ellos, fue posibles abrir nuevas líneas de investigación, aún incipientes: producción solar de amoniaco, desarrollo de ánodos para baterías de ion sodio o mismo electrodos de membrana para electrocatalizadores.
“Nuestro laboratorio se convirtió en un entorno interdisciplinar donde convergen química, nanomateriales y energía”, explica. Así, la colaboración entre equipos también es vital en este campo de la investigación: trabajan con grupos especializados en electroquímica, materiales o ingeniería para validar los materiales en condiciones más reales, realizar prototipos y acelerar la transferencia tecnológica.
A futuro, la ambición de Giménez López es convertir los materiales desarrollados en prototipos funcionales: baterías metal-aire más duraderas, un nuevo concepto más seguro y económico de la batería zinc-bromo, y nuevos conceptos de baterías térmicas. A nivel profesional, quiere seguir fortaleciendo el grupo y atraer talento investigador.
Oportunius: recursos, estabilidad y visibilidad
El programa Oportunius permitió a María Giménez López consolidar su investigación en Galicia con mayor estabilidad y visión a largo plazo. “Ofrece recursos, estabilidad y visibilidad, lo que facilita competir en convocatorias internacionales y ampliar equipo”, señala. Además, según la doctora, el contexto gallego permite conformar un entorno atractivo para ahondar en la investigación en materias para energía dentro de la comunidad.
Además, asegura que es “una herramienta muy potente para atraer talento con ideas nuevas y ambición”. De este modo, pueden incorporarse al ecosistema investigador gallego con una mayor facilidad, con apoyo institucional desde la Xunta de Galicia. De este modo, es un programa que, tal y como explica la investigadora, posiciona a Galicia como un destino competitivo para investigar en áreas estratégicas, como la de los materiales y la energía.
Con todo, también hay retos, ya que no siempre es fácil transformar las oportunidades en incorporaciones en el sistema universitario. Así, el talento gallego está presente, pero Giménez busca también atraer a investigadores extranjeros que puedan nutrir su investigación en un plano tan importante como los retos futuros. “Estas tecnologías apuntan a un escenario donde la energía se produce, almacena y consume de forma sostenible, segura y accesible, mejorando nuestra calidad de vida al tiempo que reducimos el impacto ambiental”, concluye.
