Molt bon Dia Mundial de l’Aigua!

wwday2014Avui, 22 de març, és el Dia Mundial de l’Aigua. L’Assemblea General de les Nacions unides així ho va declarar el 22 de març de 1993.

Amb un lema anual, enguany comptem amb “Aigua i Energia“.

“On World Water Day, let us pledge to develop the policies needed to ensure that sustainable water and energy are secured for the many and not just the few”.

Secretary-General Ban Ki-moon message for the World Water Day.

Precisament aquesta tarda, ja tronava (ha acabat plovent), he participat al concurs de fotografia per twitter (encara ho podeu fer fins a les 12 d’aquesta nit!) que han organitzat els companys del Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental (Lequia) de la Universitat de Girona (bases del concurs).

Petita molècula, essència del Gran Blau. Dia Mundial de l’Aigua a Blanes @LEQUIA_UdG #WorldWaterDayLEQUIA

Petita molècula, essència del Gran Blau. Dia Mundial de l’Aigua a Blanes @LEQUIA_UdG #WorldWaterDayLEQUIA

Referències i més info:

Superconductors, The Royal Institution i trens que leviten

YBCOEn alguna ocasió hem parlat dels superconductors. La superconductivitat és un fenomen que m’apassiona. Coneixem metalls que poden presentar superconductivitat a temperatures molt baixes. Ara bé, també coneixem materials ceràmics que presenten aquesta propietat a temperatures “relativament altes”. És el cas del YBa2Cu3O7, conegut popularment com a YBCO, el qual per sota d’uns 90K -al voltant dels -183 ºC-  (la seva temperatura crítica, Tc) esdevé una ceràmica superconductora.

Imant cúbic levitant sobre ceràmica superconductora tipus YBCO refrigerada en nitrogen líquid. Foto vaig poder fer el febrer de 2011 durant una de les nostres demostracions a un institut.

RiDe manera que una peça de ceràmica tipus YBCO, refrigerada sota nitrogen líquid, presenta aquestes sorprenents propietats superconductores, entre les quals destaca (sense deixar de banda la resistència elèctrica nula, la qual podria arribar a ser una de les solucions a les pèrdues energètiques que patim amb el filat de coure, per exemple) l’efecte Meissner o d’exclusió d’un camp magnètic. Al col·locar un imant sobre el material superconductor podem observar que el primer levita i gira lliurement, sobre la peça ceràmica, sense cap més resistència que la de l’aire. I, precisament aquí volia arribar, ja que lluny dels vídeos casolans i de poca qualitat que puc gravar al laboratori, com el següent que vaig gravar el setembre de 2008 (aviat farà 5 anys), abans d’ahir vaig descobrir un fantàstic vídeo editat pel Ri Channel de The Royal Institution; juntament amb The Royal Society, una de les grans institucions científiques de la Gran Bretanya que he descobert, i hi he aprofundit, durant la meva estada de recerca a la University of Nottingham.

Es tracta d’un petit automòbil (que conté una peça de ceràmica tipus YBCO refrigerada amb N2 líquid) que levita sobre una via en forma de Möbius (la cinta cíclica d’una sola cara) formada per petits imants. És una divertida versió maqueta de trens reals, que transporten passatgers tot levitant sobre la via i, per tant, estalviant-se la fricció entre aquesta i unes rodes, com per exemple el Transrapid Maglev de Shangai.

Referències i més info:

Electròlisi de l’aigua. Experiment per a Espai Terra de TV3

Segons la següent reacció química té lloc l’electròlisi de l’aigua, és a dir el trencament de la molècula d’aigua mitjançant un corrent elèctric per donar hidrogen i oxigen.

electrolisi_aigua còpiaTal i com es mostra al següent vídeo, acabo de reproduir l’experiment que es va dur a terme per primera vegada el 1800, per William Nicholson i Anthony Carlisle, poc esprés que Volta inventés la primera pila. Mitjançant aquesta reacció d’electròlisi es demostra que l’aigua és un compost i no un element, tal i com defensaven els alquimistes. els personatges que comentem, el 1800, varen ser capaços de descomposar l’aigua  en hidrogen i oxigen, però no va ser fins el 1805 quan el químic francès Gay-Lussac va descobrir que l’aigua està formada per 2 parts d’hidrogen i 1 d’oxigen. És a dir, la molècula d’aigua és H2O.

2 H2O –> 2 H2 + O2

Aquest experiment el vam intentar dur a terme en directe a Espai Terra de TV3, abans d’ahir. I dic que ho vàrem intentar ja que se’ns va trencar un elèctrode i només vam aconseguir que la reacció es donés tímidament (pispant més temps de tele del que teníem 😉 ). Realment en Jordi i en Tomàs, com a bons científics, van ésser molt pacients!

Espaiterra_febrer2013

A l'esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d'elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d'estany fos.

A l’esquerra, elèctrode trencat (abans del directe es va trencar la soldadura entre el fil de coure -interior del tub de vidre i que aquí veiem a fora- i el de platí que fa d’elèctrode en si, dins la dissolució). A la dreta, en Pep Duran soldant altre cop els dos filaments metàl·lics amb una mica d’estany fos.

Mitjançant aquest experiment demostrem que la mescla d’hidrogen i oxigen és explosiva, davant d’una flama (recordem la imatge del zepelí Hindenburg en flames). És a dir, la recombinació d’hidrogen i oxigen molecular, per a donar aigua, és una reacció molt exotèrmica, que desprèn molta energia. Per tant, la reacció d’electròlisi inversa pot esdevenir clau per a la cerca de resposta al gran repte energètic que se’ns planteja i, en el camp de l’emmagatzematge d’hidrogen per a aquestes finalitats, desenvolupo la meva Tesi Doctoral a L’Institut de Química Computacional i Catàlisi de la Universitat de Girona. Precisament a Espai Terra vam mostrar el funcionament d’una pila de combustible amb el cas pràctic d’un cotxe que funciona amb motor elèctric que obté l’energia a partir de la reacció d’electròlisi inversa. Aquí el tenim:

L’hidrogen, per tant, pot arribar a esdevenir el combustible del futur?

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! :)

Gràcies per la foto mentre fèiem el directe, Pau! 🙂

Més info a https://pepquimic.wordpress.com/2011/01/26/electrolisi-i-el-cotxe-que-funciona-amb-aigua-al-1r-carnaval-de-la-quimica/

Fils de plàstic per a la conducció elèctrica?

Darrerament s’està parlant molt d’al·lòtrops del carboni, com són els nanotubs o bé el mateix grafè, com a substituts més eficients que el coure en la conducció elèctrica, però m’acaba d’arribar un article a les mans que m’ha sorprès considerant el plàstic.

Sota el títol Light-triggered self-construction of supramolecular organic nanowires as metallic interconnects, el passat 22 d’abril de 2012 va ésser publicat a Nature Chemistry el paper que reflecteix la recerca d’investigadors de la CNRS i la Université de Strasbourg, encapçalats per Nicolas Giuseppone i Bernard Doudin, els quals han aconseguit la síntesi de nanofibres de plàstic, de només pocs nanòmetres de gruix, que s’autoassemblen i són altament conductores.

Respecte el coure, aquetses fibres són més flexibles i respecte els nanotubs de carboni, més barates. En definitiva, podrien revolucionar els materials usats en la fabricació de pantalles tàctils o cèl·lules fotovoltaiques i, globalment, als mètodes de conducció de l’energia elèctrica.

Referències i més info:

La reacció química que acabà amb l’apogeu del zepelí… mourà els automòbils del futur?

A principis d’aquest mes de maig vàrem recordar el terrible accident que va fer virar el rumb de la història de la navegació aèria.

Durant el primer terç del s.XX, els dirigibles rígids (dirigibles amb estructura rígida que sosté globus de gas no pressuritzat) varen ésser un mitjà de transport usat per al transport humà. La casa alemanya Luftschiffbau Zeppelin en va ésser la més famosa constructora, per aquest motiu també els coneixem amb el nom de zepelins. I, malauradament, el que ha passat a la història és el Hindenburg, un luxós i immens zepelí (245 m de llarg i 41 m de diàmetre) que, al cap d’un any d’haver nascut a la casa alemanya i després d’una seixantena de vols exitosos, va morir entre flames a Estats Units d’Amèrica.

El Hindenburg en flames a la Base Aeronaval de Lakehurst, Nova Jersey. Imatge, http://www.airships.net/hindenburg/disaster

Eren les 7 de la tarda del 6 de maig de 1937 (enguany commemorem els 75 anys del fet) quan, després d’un exitós i rècord vol transatlàntic, de Frànkfurt a Nova Jersey en només 2 dies (quan els millors vaixells de l’època ho feien en 5 dies), amb 97 persones a bord (36 passatgers i 61 de l’equip de tripulació), en plenes maniobres d’aterratge, el zepelí Hindenburg va patir un problema que seria irremeiable. Ja a la Base Aeronaval de Lakehurst, Nova Jersey, i a només 200 m d’alçada, es va produir un escapament d’hidrogen, d’una de les immenses 16 bosses que contenia l’aeronau per a la seva sustentació. Aquest fet era molt perillós, degut a l’alta inflamabitat de l’H2 i, sobretot per les descàrregues elèctriques que saltaven de la superfície de la nau carregada d’electricitat estàtica. El Hindenburg es va encendre i en menys d’1 minut va quedar absolutament destruït amb un tràgic balanç de 36 morts. Aquesta la gravació del terrible accident.

Des del punt de vista científic, fàcilment podem esbrinar la reacció química que tingué lloc a l’accident i és interessant d’estudi ja que podria ésser la resposta al gran repte energètic.

Tal com hem comentat, el Hindenburg, a l’interior d’una estructura rígida de duralumini, contenia 16 bosses plenes d’hidrogen (un total de 200000 m3 del gas no pressuritzat) per a la seva sustentació, aprofitant la menor densitat de l’H2 respecte l’aire. L’accident va tenir lloc degut a l’alta reactivitat de l’H2, gas inflamable. L’alternativa segura és l’ús de l’heli, un gas noble, inert, per tant no reactiu davant d’una flama (avui dia usat per fer levitar globus i fins i tot els zepelins moderns) i cal destacar que el Hindenburg havia estat projectat per a contenir He, però a l’època s’havia d’exportar d’EUA i els americans no van permetre aquesta exportació cap alemanya, de manera que els enginyers de la casa Zeppelin varen haver de substituir el gas noble pel, també menys dens que l’aire (i fins i tot menys dens que el mateix He), però potencialment perillós, hidrogen.

H2: 0.08988 g/L
He: 0.1786 g/L
Aire: 1.225 g/L

Però, quina és aquesta reacció química que es produí a l’accident del Hindenburg?

La fatídica guspira, va donar prou energia perquè s’encadenés una reacció química que allibera molta energia, una reacció exotèrmica. Es tracta de la reacció inversa a l’electròlisi. Però, per entendre-la bé, cal començar per repassar el procés electrolític.

Un prcés d’electròlisi, tal com ens indica l’etimologia de la paraula, és una reacció de trencament (lisi) per electricitat (electro). A l’electròlisi de l’aigua, té lloc el trencament de 2 molècules d’aigua per a donar-ne 2 d’H2 i 1 d’O2 (pel pas de corrent elèctric per una solució), segons la reacció:

Com hem comentat, aquesta reacció d’electròlisi requereix energia, no és tracta d’una reacció espontània. Hem d’introduir dos elèctrodes a la solució i connectar-los a una font de corrent segons l’esquema:

I el procés invers a l’esmentat, és a dir l’electròlisi inversa, té lloc per reacció entre l’hidrogen i l’oxigen, per donar aigua i energia. Aquest procés de formació d’aigua és molt exotèrmic. L’alliberament d’energia en la reacció es fa palès a les terribles imatges preses aquell 6 de maig de 1937.

Ara bé, aquesta energia acumulada en l’hidrogen (per això actualment parlem de les piles d’hidrogen) alliberada de forma descontrolada (llençada) en l’accident que hem comentat, així com en els experiments que faig servir per visualitzar aquests conceptes i el potencial de l’hidrogen -pel que fa al repte energètic- a estudiants de Secundària i Universitat (veure les gravacions que segueixen), pot ésser aprofitada.

L’energia acumulada en l’hidrogen pot ésser alliberada d’una forma raonable i utilitzada per a fer funcionar un motor elèctric gràcies a la reacció d’electròlisi inversa duta a terme a una cel·la electrolítica. Gràcies a aquest procés podem fer girar l’eix d’un motor elèctric, el qual fa girar l’eix entre dues rodes d’un cotxe, tal i com veiem a la següent gravació amb el petit prototip de cotxe elèctric amb cel·la electrolítica incorporada:

Però, a diferència de tenir ja la solució al gran repte energètic (res més lluny de la realitat), aquest pot ésser un primer pas per adonar-nos que les reaccions de combustió de combustibles fòssils poden ésser substituïdes com a procés d’obtenció d’energia.

Portar un dipòsit d’hidrogen al cotxe, per fer-lo reaccionar amb l’oxigen de l’atmosfera, és evidentment perillós (a diferència de la benzina, l’hidrogen no el podíem dur en fase líquida, sinó que l’hauríem de portar com a gas) i per aquest motiu molts investigadors estem fent recerca en maneres d’emmagatzemar hidrogen, per tal de portar-lo “amagat” amb la seva alta reactivitat “apagada” fins al moment d’encendre l’interruptor.

La mateixa reacció que va fer virar el rumb de la navegació aèria, podria ésser ara la clau per virar el de la navegació terrestre.

Potser d’aquí uns anys, quan a un garatge es combinin l’hidrogen i l’oxigen per generar energia i engegar el motor elèctric del cotxe, un avi explicarà al seu nét el terrible accident que va fer virar el rumb de la navegació aèria. Un terrible accident degut a una reacció química descontrolada, la mateixa reacció que ara alimenta el motor del seu propi vehicle.

Referències i més info:

“CO2, a problem or an opportunity?” amb la Dra. Lourdes Vega a Química UdG

Aquest migdia, dins el cicle de conferències Interdisciplinàrium, a la Sala de Graus de la Facultat de Ciències de la UdG hem pogut assistir a la conferència CO2, a problem or an opportunity? a càrrec de la Dra. Lourdes Vega.

Marta Panas, Directora del Departament de Química UdG, presentant Lourdes Vega. Sala de Graus Fac. Ciències UdG, 22/02/12

Lourdes Vega és la directora d’I+D de MATGAS i Carburos Metálicos i l’any passat va publicar el llibre “El CO2 como recurso. De la captura a los usos industriales“. Avui, a una Sala de Graus plena de químics i químiques, ens ha ofert una xerrada amb l’objectiu de donar-nos una nova visió del CO2 (defugint de la imatge que en tenim) com a molècula útil, com a font de recursos.

La Dra. Vega ens ha presentat MATGAS, com a centre de recerca -pont entre universitat i empresa- on es treballa amb materials i gasos amb les dianes de l’energia, el medi ambient i la sostenibilitat. I tot presentant-nos les diferents plataformes (línies de recerca) que desenvolupen, ens ha aprofundit, durant tota la xerrada, amb el gran projecte, el qual va començar el 2008 i acaba de finalitzar. Es tracta del SOST-CO2.

El projecte SOST-CO2 té com objectiu abordar el cicle de vida del CO2, des de la seva captura a les fonts d’emissió, passant pel transport, el seu emmagatzematge i la valorització a gran escala. Es pretén enllaçar la captura del CO2 amb la seva posterior revalorització, cercant una alternativa sostenible al confinament geològic de les emissions.

Hem repassat les utilitats que ja li donem avui dia al CO2, com són la conservació d’aliments, l’ús en extintors de foc, tractament d’aigües,… el diòxid de carboni és útil!

I el CO2, a diferència del que es publica als mitjans de comunicació, no només és un problema, sinó que és necessari, tant per a l’ecosistema com per a les nostre vides.  El problema que actualment tenim no és més que un desequilibri entre el cicle biològic i cicle biogeoquímic del CO2, el que porta a la seva acumulació a l’atmosfera. I és que, tot i haver signat el protocol de Kyoto, al nostre país no s’han reduït aquestes emissions (bé, darrerament ho han fet una lleugerament, però a causa de la menor producció deguda a la crisi econòmica).

"CO2, a problem or an opportunity?" amb la Dra. Lourdes Vega. Sala de Graus Facultat de Ciències UdG, 22/02/12

Si estudiem l’evolució de les emissions i acumulació de CO2 a l’atmosfera veiem una correlació directa entre el desenvolupament tecnològic i les emissions. Donats aquests resultats, el més intel·ligent és, a diferència de plantejar-se en frenar aquest desenvolupament, desacoblar aquestes emissions de diòxid de carboni del desenvolupament tecnològic. Es tracta d’aconseguir la fita del “desenvolupament sostenible”, el qual ens permeti avançar sense hipotecar el futur de les següents generacions.

Donada aquesta necessitat, s’ha plantejat la captura dels gasos d’efecte hivernacle (entre els quals, sense ésser el més destacat però, tenim el CO2) per tal d’evitar la seva emissió a l’atmosfera. Entre altres solucions, s’ha plantejat la captura d’aquest diòxid de carboni, com a líquid supercrític, i el seu emmagatzematge sota terra. Però, tal i com ens ha argumentat la conferenciant, el cas ideal seria utilitzar aquest CO2, més que no pas amagar-lo.

Per altra banda, pel que fa a la recerca de noves fonts d’energia, les energies renovables presenten un principal problema: són cares i, sobretot, que no presenten una seguretat en la disponibilitat. És a dir, necessitem aprendre a emmagatzemar aquesta energia perquè les renovables siguin útils. en aquest sentit, la recerca també ha de seguir.

Tornant a la captura del CO2 per evitar les emissions a l’atmosfera, hem de dir que no es tracat d’un procés senzill ni barat. Les indústries, avui ja apliquen amines aquoses per a l’adsorció/desorció de diòxid de carboni. Això sí, entre les limitacions del procés, a més a més de requerir molta energia, hi ha el problema de la major afinitat d’aquestes amines per compostos com l’ SO2. Aquesta competència exigeix un procés previ de dessulfuració dels gasos de combustió de la indústria… tot plegat, augmentar el preu. Per tant, el gran objectiu és trobar nous materials, orgànics o inorgànics, millors que les amines, per a la captura del CO2. Entre els candidats trobem l’ortosilicat de liti o els aminosilans. En aquest sentit, les simulacions prèvies als experiments són clau per a la recerca d’aquest materials.

Després de la captura del CO2 sorgeix un altre repte, el seu transport. Evidentment que, amb les quantitats de les quals estem parlant, amb camions o vaixells no en tindríem prou, sinó que hauríem de construir una bona xarxa de canonades. I després del transport arriba el nou repte de l’emmagatzematge. Aqüífer salins que es troben a profunditat, sota terra, serien un bon lloc per emmagatzemar aquest CO2 com a líquid supercrític.

Però, com a alternatives a aquest segrest del diòxid de carboni, tenim el seu ús. El CO2 presenta múltiples aplicacions, des dels usos tecnològics als biològics com per exemple utilitzar-lo per fer créixer algues que ens produeixin biodièsel, passant pels químics com per exemple la transformació d’aquest diòxid de carboni per fotosíntesi artificial.

"CO2, a problem or an opportunity?" amb la Dra. Lourdes Vega. Sala de Graus Facultat de Ciències UdG, 22/02/12

La interessant xerrada ha acabat amb el torn de preguntes, també interessants, que han fet els membres del Departament de Química. Amb elles, com a químics, hem plantejat l’ús d’aquest CO2  en la síntesi de compostos orgànics, però també ha sorgit el problema de l’estabilitat de la molècula. Per aquest motiu ens hem fixat més en la utilització directa d’aquets diòxid de carboni, ja sigui en el tractament d’aigües, el creixement d’algues que ens produeixin biocombustibles o la seva transformació mitjançant fotosíntesi artificial. Precisament, pel que fa a aquests dos darrers processos, la conferenciant ens ha deixat clar que actualment no són viables econòmicament. I de cara al futur veu més viable el procés de fotosíntesi artificial.

I pel que fa a un futur més llunyà, la Dra. Vega ens ha acabat plantejant el cas ideal de la producció de la pròpia energia a partir dels propis residus. Però arribar a aquest estadi requereix molt de temps i molts esforços, de manera que mentre anem avançant està bé anar fent recerca en aqueta captura i ús del CO2 que produïm.

Més info:

Darrera imatge: http://www.designlondonblog.co.uk/2012/01/plant-for-planet-leaf-cut-illustrations.html

Més grafè per a l’emmagatzematge d’hidrogen. Ara, arrugat.

Precisament ahir en parlàvem, tal i com hem fet en moltes ocasions.
Des de que el passat 2010 el Premi Nobel de Física fos per Geim i Novoselov pels seus sobre el grafè, s’ha fet molta recerca i difusió al voltant d’aquest material bidimensional i ja en veiem algunes aplicacions a la vida quotidiana.

Ara llegeixo un article a la RSC que investigadors del NEST, National Enterprise for nanoScience and nanoTechnolog (Itàlia), amb els seus càlculs teòrics computacionals publiquen que làmines de grafè arrugades podrien ésser una bona base per a l’emmagatzematge d’hidrogen.

Now, Valentina Tozzini and Vittorio Pellegrini of NEST, have used density functional theory and molecular dynamics simulations to show that distorted sheets of graphene – single layers of carbon atoms in a honeycomb configuration – might provide another approach.

The team’s calculations suggest that if layers of graphene are compressed laterally to form corrugations, hydrogen would find it energetically favourable to chemically bind to the convex tops of the ridges. In flat sheets of graphene, carbon’s electronic orbitals are sp2 hybridised. If the sheet is buckled, the orbitals at the convex surfaces assume a geometry closer to sp3 hybridisation – which hydrogen finds attractive.

Computer simulations suggest that it would be energetically favourable for graphene to bind to the convex structures but not concave ones. © J. Phys. Chem. C

Més info:

http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2011/December/graphene-hydrogen-storage.asp

Article original:

V. Tozzini and V. Pellegrini, J. Phys. ChemC, 2011, DOI: 10.1021/jp208262

Producció de gas natural a partir de CO2, aigua i llum solar

Llegeixo que Hyper Solar ha anunciat la presentació de la patent per a la producció de gas natural renovable mitjançant llum solar, aigua i diòxid de carboni.

The sun is our greatest source of energy and a method to use this energy to make clean, renewable fuel is a very significant discovery.

We intend to focus all our energies and resources on commercializing this breakthrough technology.

 Tim Young, director executiu d’HyperSolar.

Aquest mètode de producció està inspirat pel procés fotosintètic, mitjançant el qual les plantes verdes utilitzen l’energia solar per tal de sintetitzar els seus precursors, i aconsegueix obtenir hidrogen a partir de l’aigua. Hidrogen que, posteriorment pot reaccionar amb diòxid de carboni per produir metà, component principal del gas natural.

Aquest sistema de producció és interessant per un parell d’aspectes. El primer, es tracta de la síntesi d’aquest gas natural, de manera que es presenta una alternativa a l’extracció d’aquest (reduint, d’aquest amanera, els impactes mediambientals i econòmics del procés d’extracció). i per altra banda, s’utilitzaria diòxid de carboni com a reactiu, de manera que tindríem un sistema de reciclatge d’aquest, evitant les emissions ara inevitables.

Referència: http://www.solardaily.com/reports/HyperSolar_Discovers_Method_to_Make_Renewable_Natural_Gas_Using_Solar_Power_999.html