Redes metal-orgánicas con alta conductividad electrónica para almacenamiento de energía

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El Dr. Felipe Gándara,  licenciado en química por la Universidad Autónoma de Madrid, UAM, realizó su tesis doctoral en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid – CSIC, obteniendo el premio especial de doctorado en la Facultad de Ciencias de la UAM, en el año 2009. Ese mismo año recibió una oferta para trabajar en la Universidad de California, Los Angeles, como investigador post-doctoral, desde donde se trasladó en 2012, a la prestigiosa Universidad de California, Berkeley. Es autor de más de 40 publicaciones científicas en revistas internacionales de alto impacto, como Science, Nature Commun, o J. Amer. Chem. Soc, entre otras,  así como de seis patentes. Desde el 1 de septiembre de 2015, es Investigador ComFuturo en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC, dónde desarrolla su proyecto “Redes metal-orgánicas con alta conductividad electrónica para almacenamiento de energía“. Su línea de investigación está centrada en la preparación y estudio estructural de nuevos materiales cristalinos multifuncionales, con aplicaciones en campos como la catálisis o el almacenamiento y captura de gases de interés energético.

Resumen del Proyecto

El proyecto persigue la preparación de nuevos materiales multifuncionales que combinen alta porosidad y superficie específica junto a propiedades de conducción electrónica, para su uso en dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías o supercapacitadores. El proyecto se centra en el desarrollo de materiales del tipo metal-organic frameworks, MOFs. Estos son una clase de materiales constituidos por centros metálicos y ligandos orgánicos, y que presentan estructuras con poros y cavidades en su interior. Estos materiales son capaces de exhibir altos valores de superficie específica. Sin embargo, hasta ahora son escasos los ejemplos de materiales MOFs que siendo porosos exhiban conductividad eléctrica intrínseca. Se pretende la obtención de nuevos MOFs con la combinación de elementos metálicos con actividad redox, junto con ligandos orgánicos que presenten características adecuadas para facilitar la movilidad de carga a lo largo de las estructuras. Esto incluye moléculas orgánicas que presenten núcleos con alta deslocalización de electrones, como antracenos o trifenilenos, pero que además incluyan grupos funcionales adecuados para facilitar la comunicación electrónica con los centros metálicos, como grupos quinónicos o tiolatos.

 La preparación de los nuevos materiales implicará la reacción en condiciones solvotermales de combinaciones de sales de elementos metálicos y ligandos orgánicos como los mencionados. La alta porosidad se logrará siguiendo la estrategia tradicional en la preparación de MOFs (uso de ligandos con múltiple conectividad y formación de agregados metálicos). Las propiedades de conducción de los nuevos materiales se evaluarán mediante medidas de conductividad y movilidad de carga, y se valorará su uso en dispositivos de almacenamiento de carga, como supercapacitadores o electrodos en baterías.

Aplicación:  Un reto de nuestra sociedad es disponer de medios para almacenar energía de forma eficiente y limpia. Este proyecto pretende desarrollar materiales avanzados que ofrezcan alternativas eficaces a los que actualmente se emplean en el diseño de los dispositivos utilizados para este fin.

Gándara, Felipe_Imagen 1

 Vista a través del microscopio electrónico de barrido de cristales formados por una nueva red metal-orgánica porosa sintetizada en el laboratorio. Cada una de las placas que forman los agregados que aparecen en forma de ramo corresponde a un cristal. Dentro del cristal los átomos que forman la red se repiten de manera ordenada. 

Producción científica derivada del Proyecto ComFuturo

 

Artículos científicos  

  • C. Castillo-Blas; V.A. de la Peña-O’Shea; I. Puente-Orench; J. Romero de Paz; R. Sáez-Puche; E. Gutiérrez-Puebla; F. Gándara; M. Á. Monge (2017). Addressed Realization of multication complex arrangements in metal-organic frameworks. SCIENCE ADVANCES. DOI: 10.1126/sciadv.1700773

 

  • L. M. Aguirre-Díaz, D. Reinares-Fisac, M. Iglesias, E. Gutiérrez-Puebla, F. Gándara, N. Snejko,M. A. Monge. (2017). Group 13th Metal-Organic Frameworks and their Role in Heterogeneous Catalysis. COORDINATION CHEMISTRY REVIEWS. DOI: 10.1016/j.ccr.2016.12.003

 

  • H. L. Nguyen, F. Gándara, H. Furukawa, T. L. H. Doan, K. E. Cordova, O. M. Yaghi (2016). A Titanium-Organic Framework as an Exemplar of Combining the Chemistry of Metal- and Covalent-Organic Frameworks. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. DOI: 10.1021/jacs.6b01233

 

  • D. Reinares-Fisac; L. María Aguirre-Díaz; M. Iglesias; N. Snejko; E. Gutiérrez-Puebla; M. Ángeles Monge; F. Gándara (2016). A Mesoporous Indium Metal−Organic Framework: Remarkable Advances in Catalytic Activity for Strecker Reaction of Ketones. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. DOI:10.1021/jacs.6b05706

 

  • C. Castillo-Blas; N. Snejko; V.A. de la Peña-O’Shea; J. Gallardo; E. Gutiérrez-Puebla; A. Monge; Felipe Gándara (2016). Crystal Phase Competition by Addition of Second Metal Cation in Solid Solution Metal-Organic Frameworks. DALTON TRANSACTIONS. DOI: 10.1039/C5DT03856A

 

  • N. T. T. Nghuyen; H. Furukawa; F. Gándara; C. A. Trickett; H. Mo Jeong; K. E. Cordova; O. M. Yaghi (2015).  Three-Dimensional Metal-Catecholate Frameworks and Their Ultrahigh Proton
  • Conductivity. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. DOI: 10.1021/jacs.5b10999

 

Trabajos presentados en congresos

  • C. Castillo-Blas; V.A. de la Peña-O’Shea; E. Gutiérrez-Puebla; M.A. Monge; F. Gándara. Realization of complex metal-organic frameworks with multiple cations. XXXVI Reunión BIENAL de la Real Sociedad Española de química. Sitges (Barcelona), España. Presentación oral. 25/06/2017-29/06/2017

 

  • C. Castillo-Blas; N. Snejko; V.A. de la Peña-O’Shea; J. Gallardo; E. Gutiérrez-Puebla; M. A. Monge; F. Gándara. Crystal phase competition by addition of a second metal cation in solid solution metal–organic frameworks. IV Meeting of the Spanish and Italian Crystallographic Associations. Presentación oral. Puerto de la Cruz (España). 21/06/0216-25/06/2016

 

Solicitudes de patente registradas

  • F. Gándara Barragán; D. Reinares Fisac; M.A. Monge Bravo; N. Snejko Shalneva; E. Gutiérrez Puebla; M. Iglesias Hernández; L.M. Aguirre Díaz (2016). Materiales metalórgánicos micro- y mesoporosos basados en elementos del grupo 13, síntesis y uso como catalizadores heterogéneos. Número de solicitud: P201630937. Ver Folleto