Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba

La transición energética está en marcha y forma parte de la agenda internacional. El séptimo Objetivo de Desarrollo Sostenible (ODS) de Naciones Unidas contempla acciones con el fin de “garantizar el acceso universal a una energía asequible, segura, sostenible y moderna para mejorar las condiciones de vida de millones de personas”. 

¿Cómo permanecer ajeno a lo que ya es una necesidad en un mundo preocupado por el impacto de los combustibles fósiles y el cambio climático? Argentina viene impulsando políticas para promover energías renovables basadas en el empleo del sol, el viento, la biomasa vegetal o animal y el agua, entre otras fuentes. 

Más allá de los compromisos con el Acuerdo de París (2015), el país busca satisfacer el 20 por ciento de la demanda de energía local con fuentes renovables hacia 2025, según la Ley 27.191/2015. Los números vienen acompañando: en agosto pasado, Argentina batió su récord de generación de energías renovables en un mes alcanzando 1.909,1 gigavatios-hora (GWh). Según fuentes oficiales, la disponibilidad actual de energías renovables alcanzaría para proveer a seis millones de hogares en todo el territorio nacional. 

Conscientes de la misión que tiene la Universidad pública en acompañar estas innovaciones, la Facultad de Ciencias Químicas (UNC) a través de sus equipos científicos impulsan este nuevo paradigma energético con medidas institucionales, proyectos y líneas de investigación. 

La participación de docentes-investigadores/as de la FCQ en la Diplomatura en Gestión Sostenible de la Energía, cogestionada entre distintas facultades de la UNC y los Ministerios de Ciencia y Tecnología y de Servicios Públicos de la provincia de Córdoba, es una de las iniciativas más relevantes en términos académicos que ya está en marcha. 

En el primer semestre de 2023, la FCQ también firmó un convenio con la Cámara de la Industria Energética de Córdoba y el Ministerio de Servicios Públicos para crear el Observatorio de Energías de Córdoba, un espacio clave para la investigación y la transferencia de conocimiento sobre energías renovables con perspectiva local.

“La FCQ albergará físicamente el Observatorio de Energías de Córdoba en su Departamento de Química Teórica y Computacional. Su enfoque se basará en la aplicación de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (Machine Learning) para desarrollar modelos predictivos que proyectarán la demanda de electricidad, gas natural, combustibles fósiles, biocombustibles y fuentes de energía renovable. Estos modelos facilitarán la evaluación del cambio climático en el sector energético. Los datos serán cruciales para que las empresas del sector y el Ministerio de Servicios Público de Córdoba evalúen futuras medidas en el ámbito energético y ambiental”, describió Oscar Oviedo, docente-investigador de la Facultad y director del nuevo Observatorio.

El convenio prevé que, antes de fin de año, la información energética de la provincia de Córdoba quede centralizada; se desarrollen herramientas de gestión institucional para fomentar la investigación colaborativa, la evaluación de fuentes de financiamiento y líneas de apoyo y se cree una plataforma tecnológica que recopile datos de entidades nacionales y provinciales. Los equipos de la FCQ tendrán un rol trascendente en el logro de esas metas. 

Litio e hidrógeno: claves para el futuro

Además de los acuerdos institucionales, diversos proyectos y estudios vienen poniéndole mucha energía al desarrollo de estos temas en Córdoba. Desde hace una década, Marcelo Mariscal y Germán Soldano coordinan dos líneas de investigación en el marco de la Estrategia Nacional para el Desarrollo de la Economía del Hidrógeno.

Una de ellas busca optimizar las condiciones de operación de celdas de combustible de hidrógeno. “Si bien este tipo de celdas ya se encuentran en el mercado, existen aspectos en su rendimiento que requieren ser mejorados. Se trata de dispositivos electroquímicos que convierten la energía química (H₂ y O₂) en energía eléctrica y H₂O (agua) como subproducto. Las celdas tienen una membrana polimérica de Nafion y nuestro grupo -en colaboración con el grupo de Esteban Franceschini, también de FCQ- trabaja para comprender los factores que afectan su rendimiento”, comentó Mariscal.

El otro estudio radicado en el Departamento de Química Teórica y Computacional se ocupa del diseño de nuevos materiales basados en grafeno dopado con metales de transición para el almacenamiento de hidrógeno. “Buscamos una solución al deterioro de los materiales tradicionales de almacenamiento en presencia de oxígeno y la aglomeración metálica –señala el científico- Para eso empleamos herramientas de química teórica y recursos computacionales avanzados. En el marco de dos tesis de Doctorado en desarrollo, hemos encontrado 17 candidatos catalíticos sobresalientes”. 

Ambas iniciativas permiten hallar mejores sistemas de almacenamiento de hidrógeno para potenciar la transición hacia fuentes de energía limpias y sostenibles. Este grupo acaba de publicar un trabajo científico en International Journal of Hydrogen Energy, una de las revistas especializadas en hidrógeno de mayor impacto en la que reportan condiciones óptimas de operación de una celda de combustible de membrana polimérica (PEMFC). 

Por otro lado, el proyecto de Sergio Alexis Paz sobre electrolitos Li-S de nueva generación mediante el descubrimiento acelerado de materiales (LISA) acaba de convertirse en uno de los cuatro ganadores de la convocatoria a Proyectos Conjuntos de Investigación con India, organizado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Nación.

“Nos enfocamos en las baterías de litio-azufre (Li-S), que venimos estudiando desde hace más de seis años en el Laboratorio de Energías Sustentables (LaES), de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC). Conseguir una batería de litio-azufre con mejor performance electroquímica provocaría un gran impacto en los sectores socioproductivos”, comentó el investigador del Departamento de Fisicoquímica de la FCQ y del Instituto de Investigaciones en Físico-Química de Córdoba (INFIQC).

Las baterías de litio-azufre son fundamentales para vehículos eléctricos. El azufre es abundante, de bajo costo y amigable con el ambiente. Sin embargo, algunos procesos que ocurren en esas baterías, como la difusión de polisulfuros, afectan su vida útil e impiden su desarrollo comercial.

“Nuestro proyecto investiga nuevos electrólitos para estos dispositivos que permitan mitigar esos problemas y mejorar el desempeño de la batería. Dentro del plan de trabajo, nuestros colegas de India utilizarán modelos generativos asistidos por IA para proponer nuevos electrólitos con propiedades deseadas. Luego, en el Centro de Computación de Alto Desempeño (CCAD) de la UNC pondremos a prueba estas propuestas. Finalmente,
los electrólitos más prometedores serán utilizados en baterías reales, ensambladas y analizadas fisicoquímica y electroquímicamente en el LaES”, describió Paz. 

Otro equipo de la FCQ que viene desarrollando baterías de litio-azufre desde el LaES es el integrado por Ezequiel Leiva y Guillermina Luque. Su trabajo, realizado en colaboración con YPF Tecnología, emplea pelos de vaca para que, a través de un proceso, este material se transforme en un biocarbón a partir del cual se impregne el azufre y luego sea utilizado en las baterías como cátodo, mejorando así su rendimiento. 

“Las baterías de Li-S almacenan mayor energía que las baterías de ion litio y resultan más amigables con el ambiente, por lo que podrían ser utilizadas en dispositivos eléctricos móviles, autos, colectivos, vehículos de gran porte y almacenamiento de energía de red. Si comparamos una batería de ion-litio con las de Li-S, en el caso de tener un kilo de una y de la otra, la segunda brinda mayor capacidad de almacenamiento, por lo que luego puede entregar más energía, esto permitiría en el caso de los autos tener mayor autonomía. Las baterías de ion-litio tienen una autonomía de alrededor de 200 kilómetros mientras que las de Li-S podrían llegar a los 500 kilómetros. En cuanto a su aplicación, según mis estimaciones, podrían ser comercializadas dentro de 10 años aproximadamente”, explicó Guillermina Luque, co-autora de ese trabajo y una de las 11 científicas y científicos de Ciencias Químicas que se desempeñan en el LaES, junto a otras y otros de FAMAF, FCEFyN, INFIQC e IFEG.

El sol también suma su apoyo

En esta cruzada por el cuidado del ambiente a través de energías renovables, los estudios y aplicaciones de la energía solar resultan fundamentales. Así lo viene demostrando el equipo de estudiantes y científicas y científicos que dirige Rodrigo Iglesias, docente e investigador del Departamento de Fisicoquímica e INFIQC.

El grupo “Nanomateriales para dispositivos fotovoltaicos y fotoelectroquímicos” estudia la síntesis, caracterización y aplicaciones de semiconductores nanoestructurados inorgánicos de diversa composición química. Sus desarrollos se llevan adelante en escala nanométrica (un nanómetro equivale a la milmillonésima parte del metro o, dicho de otro modo, un cabello humano promedio mide aproximadamente 60 mil nanómetros de espesor).

Pero ¿cómo aprovechar la energía del objeto más grande del sistema solar en desarrollos más pequeños que un pelo? La nanociencia tiene la respuesta. Nanotubos, nanovarillas y nanopartículas, entre otros semiconductores, permiten alcanzar propiedades ópticas y eléctricas de esos materiales diferenciadas, que mejoran la eficiencia de conversión de la energía solar a energía eléctrica en celdas solares semiconductoras o en diodos emisores de luz. 

Algunos trabajos se vienen impulsando desde 2007. “Hoy, en nuestro laboratorio de la FCQ, preparamos nanoarquitecturas de materiales semiconductores diversos, caracterizados mediante técnicas espectroelectroquímicas y fotoelectroquímicas, dos áreas de experticia que nos caracterizan en Córdoba como equipo de investigación”, sostiene Iglesias.   

En estos años, el grupo incrementó la eficiencia de conversión de energía de celdas solares híbridas mediante tratamientos térmicos y químicos, fabricó y evaluó el desempeño de un sensor químico para sulfuro acuoso que utiliza un fotoelectrodo fabricado con semiconductores nanoestructurados y produjo nanocristales de minerales como perovskitas inorgánicas con alto rendimiento cuántico de fluorescencia. 

Estos desarrollos, cuyas descripciones resultan tan extrañas para quienes no conocen de fisicoquímica, se traducen en ejemplos muy concretos, como las pantallas de alto brillo y resolución de algunos televisores que ya se comercializan, o en futuras aplicaciones que podrían llegar a emplearse en celdas solares híbridas para hogares y en pantallas inteligentes de smartphones.

“Controlar la materia y sus propiedades a nivel nanométrico nos abre un abanico enorme de posibilidades para aplicaciones que, incluso, aún no sabemos que puedan existir. Cada día los semiconductores nanoestructurados encuentran mayores espacios de aplicación en nanotecnologías que están próximas a comercializarse o que ya lo están haciendo. Las posibilidades son enormes y la Universidad pública viene impulsándolas”, asegura Iglesias. 

Hidrógeno, litio, semiconductores nanoestructurados, celdas solares… el lenguaje de las energías renovables pide espacio en los portales de noticias. “El desarrollo de metodologías alternativas para la producción de energías limpias es urgente debido al cambio climático. En ese sentido, resulta fundamental que en nuestro país el conocimiento científico sea un aporte a la mejora de los métodos de producción y de almacenamiento de energía basados en la sostenibilidad. Y nuestra facultad apunta a ser protagonista de ese desafío”, aseveró el científico y decano de la FCQ, Marcelo Mariscal.