Es un proyecto liderado por Gonzalo Abellán, líder del grupo 2DCHem del Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València y financiado por financiado por MCIN/AEI y por la Unión Europea Next GenerationEU/ PRTR, en el cual se propone desarrollar un reactor automático de flujo continuo a escala piloto para la producción escalable de materiales de bismuto para baterías de iones sodio de alto rendimiento. Así, se desarrollará a escala piloto un reactor que funcione en flujo continuo. Se optimizará el procesamiento del ánodo en películas finas y, por último, se montarán dispositivos con una elevada relación material/peso total para alcanzar densidades energéticas relevantes.

En la actualidad, las baterías de ion litio prácticamente dominan el mercado. Sin embargo, la escasez de litio, su distribución geográfica, extracción y tratamiento potencialmente tóxicos han impulsado, tanto a la comunidad científica, como la industrial, a buscar alternativas rentables y respetuosas con el medio ambiente.

El sodio se presenta como un excelente candidato debido a su abundancia, accesibilidad y su proceso de extracción mucho más ecológico. Sin embargo, el mayor tamaño del catión Na+ frente al del catión Li+, hace que el proceso de inserción-extracción de los iones sea mucho más lento e ineficiente en los materiales que se usan típicamente como ánodos en las baterías de litio, siendo uno de los principales inconvenientes para el desarrollo de las baterías de iones de sodio (NaIBs).

Entre los diferentes materiales de electrodos, el bismuto se considera una de las mejores opciones como ánodo para NaIBs, debido a su gran capacidad gravimétrica, su abundancia en la corteza terrestre, su no toxicidad y su precio asequible.

En resumen, 2DBiBatt producirá material suficiente para ánodos de NaIBs y crear prototipos eficientes de celdas tipo botón y tipo “pouch”, que se probarán en condiciones industriales relevantes frente a las baterías de iones de litio estándar para su evaluación comparativa. Esta prometedora tecnología estará perfectamente posicionada para ser transferida a la industria, o incluso, para explorar la creación de una empresa derivada.

Disponer de un tipo de “envase-barrera” que facilite la conservación de los alimentos el máximo tiempo posible es uno de los grandes anhelos de las cadenas de distribución. Los productores tratan con ello de mejorar las prestaciones de sus productos, pero también dar respuesta a los consumidores y su creciente exigencia de envases eco-diseñados y alineados con el desarrollo sostenible.

La Estrategia Europea de Plásticos y Economía Circular prevé que en 2030 el 100% de los envases empleados en los estados miembros deben ser reciclables, reutilizables o compostables. Se trata de uno de los grandes retos actuales de la industria. Pero existe otro de extraordinaria relevancia: no disponer de envases 100% barrera supone que cada año se desperdician en el mundo 1.300 millones de toneladas de alimentos debido a las dificultades para mantener sus propiedades, según la FAO.

“Nos enfrentamos a dos grandes retos como es el desperdicio temprano de comida y la fabricación de envases que sean totalmente reciclables”, comenta Gonzalo Abellán, líder del grupo 2DChem, dedicado a la síntesis de nuevos materiales para aplicaciones como recubrimientos o el almacenamiento y la transformación de energía. Su proyecto LDHPack, financiado por la Agencia Valenciana de la Innovación (AVI), trata de fabricar a escala estos materiales bidimensionales con apariencia de láminas para luego aplicarlos en envases multicapa por la industria.

“No olvidemos que el film de plástico que envuelve los envases flexibles tiene una tasa de reciclaje efectiva de apenas el 3%, con lo que tenemos razones sociales, económicas y ambientales que la AVI ha valorado para apoyar esta investigación del grupo 2DChem”, insiste Abellán. Los laboratorios ubicados en el Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universitat de València (UV), ya permiten escalar los materiales y producir cantidades de varios kilogramos.

La investigación ya presenta resultados prometedores en los análisis llevados a cabo con la colaboración con el Instituto Tecnológico del Embalaje (ITENE). Jesús Palenzuela, responsable de Aditivos, Tecnologías de Impresión de ITENE, explica que, técnicamente, se trata de aplicar recubrimientos de arcillas laminares en forma de barniz.

“Con ello buscamos mejorar la capacidad de ‘barrera’ del envase sustituyendo estructuras muy complejas de difícil reciclado por otras más simples que sí se podrían reciclar”. Trabajamos en sectores de aplicación industrial potencial como los envasadores de snacks o de frutos secos o los impresores materiales.

Los envases multicapa son un quebradero de cabeza para la industria porque contienen materiales con puntos de fusión muy diferentes y porque la “delaminación” de sus capas es un proceso muy costoso. Estos materiales habitualmente acaban en el vertedero o en procesos de valoración, es decir, de conversión en energía (electricidad, vapor o agua caliente). Simplificar su composición – hoy se emplean plástico tereftalato de polietileno (PET), policloruro de vinilideno (PVDC) o etilen-vinil-alcohol (EVOH)-mejoraría sus posibilidades de reciclado.

Los LDH tienen la ventaja de que éstos ya están aprobados por la Agencia Europea de la Alimentación y hasta ahora han sido eficaces para frenar el efecto del oxígeno, aunque no tanto del agua. Es lo que se denomina “hidrofobicidad” (rechazo o “fobia” al agua). Y el desafío al que debe dar solución el ICMol es conseguir añadir una barrera efectiva también al agua mediante la incorporación de moléculas entre las láminas de LDH.

Gramaje y resistencia a la adhesión

Los análisis preliminares del proyecto LDHPACK ya permiten evaluar el gramaje y la resistencia a la adhesión de la selección de barnices realizada para aplicar en films de polietilentereftalato (PET) y polipropileno (PP), así como de los sustratos escogidos para su aplicación como películas flexibles con efecto barrera.

Los hidróxidos dobles laminares sintetizados en los laboratorios del ICMol se han sometido también a pruebas para perfeccionar su dispersión en los barnices y su aplicación sobre sustrato de PET, con el objetivo de medir su viscosidad y estabilidad cuando se dispersan, el gramaje del recubrimiento o su permeabilidad a oxígeno y vapor de agua.

Resultados y continuidad

En la fase final del proyecto se han escalado las formulaciones de recubrimientos barrera que mejores resultados presentaron en las etapas previas a escala de laboratorio. Además, se realizó una prueba piloto en las instalaciones de una empresa de envase flexible.

Por ejemplo, se realizó una prueba de impresión (laminación) con una estructura OPP20/primer/PVOH con LDH. El mejor de los resultados obtenidos en este ensayo dio un valor de OTR al 0% de humedad relativa y 23ºC de 284,90 ± 106,67 cm3/m2·día. Ello supone una mejora del 80% respecto al sustrato OPP20, aunque son valores superiores a los obtenidos en la etapa de ensayos de laboratorio en la que se llegó a obtener valores de OTR de 8 cm3/m2·día (99% de mejora respecto del OPP sin recubrimiento).

Los investigadores consideran que esta diferencia se produjo por una falta de homogeneidad del recubrimiento, ya que en el proceso de escalado no se consiguió formar una película uniforme que proporcione las propiedades observadas en toda la estructura.

En el caso del proceso de laminación no se detectaron problemas pese a la falta de homogeneidad del recubrimiento, lo cual indicaría que el empleo del LDH en las estructuras es perfectamente compatible con los procesos industriales actuales.

Por tanto, podría concluirse que con la prueba piloto realizada no se ha podido confirmar la validación piloto del recubrimiento con el LDH seleccionado en las actividades anteriores del proyecto. La disponibilidad de la empresa de envase flexible y el tiempo que restaba de proyecto no ha permitido realizar una nueva validación y realizar mejoras tanto en los materiales seleccionados como en el proceso de aplicación.

No obstante, dada toda la experiencia acumulada y los resultados previos obtenidos los investigadores esperan dar continuidad al desarrollo en otros proyectos.

The University of Valencia has recognised the chemical company 2DMatch as a spin-off, promoted by researchers from the Institute of Molecular Science (ICMol). Funded by the University itself and by private capital, the company will develop and market catalysts for the production of green hydrogen at low cost, from abundant and easily available materials, in line with the strategic objectives of the European Union.

The rector of the University of Valencia, Maria Vicenta Mestre, and the partners of 2DMatch have signed this Wednesday, May 11, the patent license contract and the spin-off support and recognition agreement of the new chemical company, which will have its headquarters in the Parc Científic of the academic institution.

“The University is very pleased to participate in business projects such as 2DMatch, which is committed to clean and renewable energy, and to manufacturing processes that are friendly to the environment and sustainability”, said the rector during the act. Master. “It could not be less coming from an excellence research centre such as the ICMol, which right now has several ERCs underway for the chemical design of advanced materials and, with this, there are already two spin-offs that it generates in this field”, she said.

2DMatch was born as a company dedicated to the development and optimisation of two-dimensional materials for applications in the field of energy and, in particular, to obtain green hydrogen from renewable energies, a clean and sustainable alternative based on electrocatalytic techniques, in line with the main objectives of the European Green Deal.

The new spin-off will bring to the market materials for the electrocatalysis of water and the obtaining of renewable hydrogen. Their particularity lies in the fact that they are materials based on abundant and non-geostrategic metals, such as nickel or iron, whose high availability significantly reduces production costs. These, in addition, will be manufactured through an innovative chemical process that allows mass production also at low cost.

2DMatch will bring to the market electrocatalysts made from nickel and iron, whose viability has been widely documented by the scientific literature, but which have not been available so far on the market. "The leap from scientific papers to industry will be possible thanks to a simplified method of synthesis with the aim of improving the production of green hydrogen from solar or wind energy," says Gonzalo Abellán, distinguished researcher of the Gen-T plan of the regional Governement of Valencia and promoter of the initiative together with the director of ICMol and full professor at the University of Valencia, Eugenio Coronado.

In addition to the researchers Coronado and Abellán, the professor of Chemistry-Physics at the University of Cartagena Toribio Fernández Otero, founder of CIDETEC, a private foundation for the transfer of electrochemical technologies, will be part of the company's scientific team; Jorge Romero, researcher in the area of electrochemistry at ICMol and Alvaro Seijas, student of the center itself. They have been joined by financial expert José Rubio and administrator María Pilar Pérez.

"Our business plan and our compounds are perfectly aligned with what the European Commission is looking for, which is to start replacing conventional electrolyzers with a technology that works with abundant and available elements. That's why it's something disruptive," Abellán adds.

Abellán has spent most of his scientific career dedicated to research in this type of materials, also during his postdoctoral stay at the University of Erlangen-Nuremberg, where he created his own research group in two-dimensional materials. But already in 2018 it had the first indications that they could be able to generate these materials in kilos in a scaling laboratory funded by the Valencian Innovation Agency.

The company will also offer customised electrode manufacturing services for electrolysers and batteries, synthesis of two-dimensional materials with transition metals, and consulting, among others.

The University of Valencia currently has 18 recognised spin-offs related to the engineering and technology, life sciences, chemical industry and social sciences and humanities sectors, in line with the diversity of a generalist university.

Through a great international team collaboration leaded by Dr. Gonzalo Abellan, Dr. M. Eugenia Pérez-Ojeda, Prof Andreas Hirsch and prof. Luis Echegoyen, our team published on the Journal of the American Chemical Society a very innovative study about carbon nano-onions intercalation with potassium. The article was awarded with the front cover of the current edition of JACS
You can find the article here

In this work we study the noncovalent functionalization of black phosphorus (BP) with tailor made perylene diimides (PDI). By combining both experimental and density functional theory (DFT) calculations, we have designed and fully characterized the organic-inorganic BP-PDI hybrids. The resulting materials depict a denser packing of the PDI molecules on the BP surface, giving rise to an outstanding environmental protection of the BP thanks to the role of the PDI as a passivation layer. This phenomenon leads to an enhancement of both ambient and thermal stabilities in the light of XPS, Raman spectroscopy and TG-MS analysis. Finally, we have studied for the first time field effect transistors (FETs) based on these hybrid materials, leading to an improvement in the electron mobilities thanks to the protecting role of the PDI. In summary, this work points towards the noncovalent functionalization with PDI molecules as a promising approach in the development of stable electronic devices based on 2D-pnictogens. You can find the article here

Quantifying the Covalent Functionalization of Black Phosphorus. In this paper, we propose a straightforward method to quantify the overall functionalization degree of covalently modified 2D black phosphorus. This methodology relies on the use of Raman spectroscopy to correlate the Raman modes originated from the covalent grafting with the quantitatively determined functionalization degree calculated by 31P MAS solid state NMR spectroscopy. Since Raman spectroscopy is one of the most powerful characterization tools in materials chemistry, as evidenced by graphene research, these results will foster the progression in the field of 2D BP research. Especially for the quick evaluation of alternative functionalization protocols the presented correlation method could be of great use to determine the efficiency of the chosen reaction pathway. You can find the article here

The researcher Rebeca Martínez Haya will soon join the Institute of Molecular Science (ICmol)of the University of Valencia after having obtained a grant from the Juan de la Cierva programme to attract talent through contracts for young researchers that favour their professional career and reinforce the teams they will join for a period of 3 years.

The Juan de la Cierva programme will allow her to develop her research project on the characterisation of nanomaterials with photochemical and photophysical activity. Martínez will develop her work under the supervision of Gonzalo Abellán, distinguished researcher of the GenT Plan of the Generalitat Valenciana and leader of the 2D-Chem project. This project is part of the large Research Team on Molecular Materials led by Eugenio Coronado, Full Professor of Inorganic Chemistry at the University of Valencia and director of ICMol.

Rebeca Martínez Haya studied Chemical Engineering at the Universitat Politècnica de València and, after completing her Master's degree in Experimental and Industrial Organic Chemistry, she began her PhD at the Institute of Chemical Technology (UPV-CSIC) under the supervision of professors Miguel Ángel Miranda and María Luisa Marín.

Her thesis focused on the mechanistic study of photocatalytic processes based on photoinduced electron transfer using time-resolved techniques. During this stage she made two stays, one as an engineering student of the Erasmus programme for her Final Project at the Department of Macromolecular Physics of the Karlova University (Czech Republic) and another as a pre-doctoral student with Professor König at the Faculty of Chemistry and Pharmacy of the University of Regensburg (Germany), under the framework of the German DAAD programme.

In 2017 Rebeca was one of two predoctoral students selected for the "Ford - Sponsor Science" contracts. In 2018 she completed her doctoral studies and in the same year she also completed her Master's degree in Teaching for Secondary School Teachers. In 2020 she was awarded "ex aequo" with the prize for the Best Doctoral Thesis in Photochemistry awarded by the Photochemistry Group of the Spanish Royal Society of Chemistry and in 2021 she was awarded the Extraordinary Doctorate Prize of the UPV.

She is currently the beneficiary of a postdoctoral grant funded by the Generalitat Valenciana under the APOSTD programme to develop a collaborative project between the UPV and the Complutense University of Madrid. The Juan de la Cierva grant is awarded on a competitive basis by the Spanish Research Agency of the Ministry of Science. It is endowed with 30,500 euros per year and an additional grant of 6,300 euros to cover expenses related to the execution of research activities.

María Simón (Granada, Spain), join the 2D chem as the first industrial PhD student of the research group. She graduated in Mining and Energy Resources Engineering with a Master in Efficiency and Sustainability and a Master in Fine Chemistry from the University of Córdoba. María works at the R&D department of Graphenano company. She will combine her experience in lithium battery scale-up with the group's experience in nanomaterials for the development of novel efficient energy storage systems.

Pau Congost i Escoin (Castelló, Spain), graduated in Biochemistry and Biomedical Sciences with a master’s degree in Nanoscience and Nanotechnology from the Universitat de València (UV) joins the 2D-Chem team as a new PhD student. He will combine his expertise in molecular and cell biology and his experience working on 2D materials for biomedical applications towards a better understanding of how 2D pnictogens interact with living organisms.