La presión sobre nuestros recursos hídricos, el calentamiento global y la escasez de combustibles fósiles son tres de los principales desafíos que, como sociedad, tendremos que abordar en la próxima década. Las soluciones a estos desafíos se basan en el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan el uso eficiente y la reutilización de los recursos hídricos, así como en nuevos sistemas de almacenamiento de alta potencia y alta densidad de energía que se combinen con fuentes renovables. Estos dos temas aparentemente dispares dependen de una tecnología: electrodos y adsorbentes de carbono. Tanto los sistemas de desalinización y purificación como los supercondensadores y las baterías usan materiales basados en carbono con propiedades controladas mediante procesos físico-químicos. Una de las rutas más interesantes para la síntesis de estos materiales es la pirólisis de biomasa, un precursor barato y ampliamente disponible. La desionización capacitiva (CDI) es una tecnología emergente para aplicaciones en desalación que utiliza una pequeña diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos de carbono para eliminar iones de una solución mediante electrosorción. El pequeño potencial necesario para el proceso permite alimentar un dispositivo de CDI mediante paneles solares, lo que hace que esta tecnología sea útil en sistemas portátiles o fácilmente desplegables. Los supercondensadores y las baterías también se basan en mecanismos de adsorción y/o intercalación para almacenar carga eléctrica, en un proceso que es esencialmente el mismo, pero adaptado en este caso a maximizar la densidad de energía almacenada. Ambas tecnologías se basan en el uso de electrodos de carbono, con propiedades y estructura adaptadas a cada una de las aplicaciones.
El objetivo principal de esta propuesta es explorar el uso de residuos de biomasa como precursores de materiales de carbono con propiedades controladas para aplicaciones electroquímicas relacionadas la energía y el medio ambiente, con un enfoque en dos aplicaciones principales: almacenamiento de energía en sistemas de supercondensadores y baterías, y desalación por CDI. La ruta de preparación de será la pirólisis de precursores de biomasa, centrándonos en productos de desecho de explotaciones agrícolas. Para la obtención de electrodos monolíticos usaremos madera y tableros prensados de fibra. Desarrollaremos métodos físicos y químicos con el fin de controlar sus propiedades para mejorar su capacitancia o selectividad de iones.
Construiremos un dispositivo de CDI a escala laboratorio para determinar el comportamiento de desalinización y correlacionarlo con información microscópica obtenida por técnicas avanzadas como microscopía electrónica, experimentos de difracción de dispersión total, isotermas de adsorción de nitrógeno y otros. Estudiaremos las propiedades electroquímicas de estos materiales y las correlacionaremos con la estructura y las condiciones de procesado. Nuestro objetivo será optimizar los electrodos de carbono derivados de la biomasa para aplicaciones específicas y desarrollar materiales de carbono derivados de la biomasa ‘a la carta’.