Asignaturas Máster en Química para la Sostenibilidad y Energía

Asignaturas Obligatorias

Contenidos:

1. Principios y Conceptos Básicos de la Química Sostenible. Definición de desarrollo sostenible. Los 12 Principios de la Química Sostenible. Concepto de economía atómica. Toxicidad de los procesos y productos químicos.

2. Residuos en los procesos químicos. Problemas derivados de la producción de residuos. Origen de la producción de residuos. Aspectos económicos asociados a los procesos químicos. Técnicas para minimizar la generación de residuos procedentes de industrias químicas. Técnicas para la separación y tratamiento de residuos químicos.

3. Impacto medioambiental asociado a los procesos químicos. Estudio comparativo de diferentes rutas para la realización de un mismo proceso o la obtención de un producto determinado. Economía circular. Métricas en procesos sostenibles. Evaluación del ciclo de vida. Sistema de gestión ambiental: norma internacional ISO 14001 y esquema europeo EMAS. Marco Legal.

4. Catálisis en Química Sostenible. La importancia de la catálisis en la química sostenible: reemplazando reacciones estequiométricas por reacciones catalíticas. Catálisis y eficiencia energética de los procesos químicos. Eficiencia del catalizador: actividad y longevidad. Catálisis heterogénea, catálisis homogénea y biocatálisis, características, ventajas e inconvenientes. Selectividad y catálisis: catálisis asimétrica. Aprovechamiento de energías no convencionales: fotocatálisis.

5. Ejemplos de procesos catalíticos más limpios. Catalizadores ácidos no contaminantes. Oxidaciones catalíticas empleando oxidantes no tóxicos. Catálisis de transferencia de fase.

6. Impacto Medioambiental del Uso de Disolventes y Posibles Soluciones. Reacciones sin disolvente. Disolventes orgánicos. Fluidos supercríticos. Biodisolventes. Reacciones en medio acuoso. Líquidos iónicos. Disolventes perfluorados.

7. Recursos Renovables. Materiales de partida de origen renovable. Biomasa.

8. Tecnologías sostenibles. Uso de fuentes alternativas de energía en procesos químicos: microondas, ultrasonidos, electroquímica y fotoquímica.

Contenidos: 

1. Fuentes de energía. Calificación de las fuentes de energía (primarias/secundarias, renovables/no renovables). Combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas…). Energía Nuclear. Combustibles nucleares: abundancia y eficiencia. Residuos nucleares. Energías renovables: solar, térmica, biocombustibles, eólica, hidroeléctrica, biomasa…. Eficiencia, implantación actual, viabilidad. Transporte y almacenamiento de energía. Panorama actual y retos. 

2. Consumo energético global. Panorama general de la distribución del consumo energético a nivel mundial: Consumo doméstico y consumo industrial. El consumo doméstico: hogar, locomoción,… Distribución del consumo por actividades y por países. Demandas presentes y previsiones futuras atendiendo a desarrollo de las regiones y tendencia demográfica. Adaptabilidad del consumo energético doméstico a cambios en las fuentes de energía. El consumo energético en la actividad industrial. Distribución por sectores industriales y por países. Fuentes de energía empleadas. Previsiones de cambio en la demanda y en las fuentes de energía empleadas. Legislación y políticas energéticas en las regiones de mayor consumo: planes de explotación de recursos energéticos naturales y reservas estratégicas.  Impuestos en uso y comercialización de energía así como su impacto ambiental. Alianzas y tratados internacionales vigentes. 

3. Producción de energía con tecnologías químicas. Electroquímica (Pilas de combustible. Producción de hidrógeno. Reducción de CO2,…). Lumínica (Fotosíntesis artificial, descomposición fotocatalítica de agua,…). Bioquímica (Generación de biocombustibles, producción de energía eléctrica desde bacterias.). Combustibles fósiles: industria petroquímica, del carbón y del gas natural. 

4. Almacenamiento de energía con procesos y tecnologías químicas. Dispositivos electroquímicos: Baterías y condensadores. Almacenamiento de hidrógeno y metano. Combustibles moleculares termosolares. Otras tecnologías químicas para el almacenamiento de energía. 

5. Optimización del uso de energía en la industria química. Aspectos termodinámicos en el uso de la energía: ciclos producción/consumo de energía y rendimiento. Catálisis en la industria petroquímica: Obtención de metano por gasificación, Proceso de Fischer–Tropsch. Impacto energético y económico de la catálisis en la industria. 

Contenidos:

La materia «Foros de debate» pretende complementar la formación recibida por los estudiantes del Máster mediante actividades orientadas a ponerles en contacto con profesionales e investigadores del área, a recibir información de primera mano de avances científicos y técnicos en desarrollo y a mejorar sus habilidades de presentación, comunicación y argumentación. Constará de actividades internas, que constituirán el núcleo de la materia, y actividades externas.

Asignaturas Optativas (elegir 7)

Contenidos: 

1. Cinética química. Velocidades de reacción, orden de reacción, ecuación de velocidad y etapas determinantes de la velocidad de reacción. Coordenada de reacción y perfil de reacción. Ecuaciones de velocidad y modelos cinéticos comunes. Estudios cinéticos.

2. Conceptos básicos en catálisis. Interacciones catalizador-sustrato y Principio de Sabatier. Desactivación, inhibición y envenenamiento del catalizador.  

3. Catálisis homogénea con complejos metálicos. Etapas elementales. Relaciones estructura-reactividad. Catálisis asimétrica. Recuperación y reciclado de catalizadores. Catalizadores híbridos. 

4. Catálisis homogénea sin metales. Catálisis ácido-base. Organocatálisis.  

5. Catálisis heterogénea: sistemas gas/sólido. Sitio activo, sistemas catalíticos modelos, promotores, modificadores y venenos. Preparación de catalizadores sólidos. Soportes. Caracterización de catalizadores sólidos. 

6. Catálisis bifásica. Catálisis bifásica en agua, en disolventes fluorosos o en líquidos iónicos. Catálisis de transferencia de fase. Catalizadores homogéneos soportados. 

7. Biocatálisis. Interacciones entre enzima y sustratos. Estereoespecificidad. Modelos cinéticos. Mecanismos de catálisis enzimática. Inhibición de las enzimas. Enzimas inmovilizadas. Aplicaciones en la industria química y farmacéutica. Aproximación computacional a los mecanismos.

Contenidos:

1. Fundamentos. Interacción radiación-materia, fundamentos físicos. Tipos de procesos fotoinducidos en moléculas. 

2. Fotofísica molecular. Procesos de absorción y emisión de luz. Fundamentos de espectroscopía molecular. Procesos de transferencia de energía y separación de cargas fotoinducidos.  

3. Introducción a la Fotoquímica. Estados electrónicos de un sistema molecular. Aspectos generales del mecanismo de las reacciones fotoquímicas. Fotoestabilidad de sistemas moleculares.  

4. Fotocatálisis. Fundamentos físico-químicos de la fotocatálisis homogénea y heterogénea. Descomposición fotocatalítica del agua. Fotosíntesis artificial. Fotocatálisis en síntesis orgánica. 

5. Conversión y almacenamiento de la energía solar. Energía fotovoltaica: fundamentos y aplicaciones. Materiales para celdas solares. Celdas solares orgánicas e inorgánicas. Celdas solares sensibilizadas por colorantes y de puntos cuánticos. Combustibles moleculares termo-solares. 

6. Taller: Simulación computacional de procesos fotoinducidos. Interacción de la radiación con la materia y espectroscopía. 

Contenidos:

1. Sectores industriales demandantes de productos de síntesis. Farmaquímica. Materiales (incluidos nanomateriales). Fitosanitarios. Armamento. Limpieza y aseo personal. Otros…. 

2. Construcción Molecular. Moléculas orgánicas como objetivos sintéticos. Construcción del esqueleto molecular. Instalación de grupos funcionales. Interconversión de grupos funcionales.

3. Síntesis sostenible. Catálisis vs uso estequiométrico de reactivos. Procesos sintéticos en ausencia de metales. Procesos redox benignos. Disolventes de bajo impacto ambiental. Procesos enzimáticos y microbiológicos. Reacciones multicomponente. 

Contenidos:

1. Principales grupos de técnicas. Técnicas físico-químicas para la caracterización estructural y textural de sólidos. 

2. Técnicas de resonancia magnética. Resonancia Magnética Nuclear (RMN): fundamentos basicos. Dinámica molecular y RMN. RMN de sólidos.  Resonancia de Espín Electrónico. 

3. Técnicas de difracción de Rayos X. Técnicas difractométricas: Difracción de rayos X en monocristal. Difracción de polvo cristalino. Interpretación de difractogramas de polvo cristalino. Radiación de sincrotrón y difracción de neutrones. 

4. Técnicas espectroscópicas. Espectroscopías vibracionales. Espectroscopias IR y Raman. Espectroscopía UV-VIS.  Espectroscopia de emisión de electrones: XPS. Espectroscopia de absorción de rayos X: EXAFS. 

5. Espectrometría de masas. Tipos de técnicas. Aplicación a compuestos orgánicos, inorgánicos y poliméricos. 

6. Técnicas de análisis químico, térmico y textural. Análisis térmico gravimétrico (TG). Análisis térmico diferencial (DTA). Calorimetría diferencial de barrido (DSC). Adsorción física y química, isotermas de adsorción. Métodos de determinación de porosidad y superficie específica. 

7. Técnicas de microscopía. Microscopía electrónica de barrido (SEM). Microscopías de efecto túnel y fuerza atómica (AFM/STM). 

Contenidos:

1. Introducción. Catálisis en la industria del refino, petroquímica y gas natural. Esquema básico de una refinería. Unidades de proceso principales. Materias primas y productos finales.

2. Procesos principales. Reformado. Hidrotratamiento y hydrocracking. Fluid Catalytic Cracking (FCC). Otros procesos para gasolinas. 

3. Otros procesos para gasolinas. Alquilación. Isomerización. Olefinas ligeras (Metanol a olefinas, MTO). Producción de aromáticos. 

4. Procesos basados en gas de síntesis. Reformado con vapor y oxidación parcial. Fischer-Tropsch. Síntesis de metanol. Síntesis de gasolina. Síntesis de dimetiléter (DME). Water Gas Shift. 

5. Materiales principales. Zeolitas. MOFs. 

Contenidos:

1. Regulación administrativa de los residuos. Clasificación de los residuos. Marco legas e institucional de los residuos. Planes europeos, nacionales y regionales de residuos. Economía Circular aplicada a los Residuos. Gestores de residuos y operaciones de tratamiento. Desclasificación de residuos y pérdida de condición de residuos.

2. Gestión y tratamiento de los residuos. Gestión operativa de los residuos urbanos. Gestión operativa de residuos industriales. Tipos de tratamiento de residuos urbanos. Tipos de tratamiento de residuos industriales. Otros residuos de ámbito municipal. 

3. Operaciones de valorización, reciclaje y recuperación de residuos. Energía, combustión y residuos como combustibles. Sistemas de tratamiento térmico: la incineración. Sistemas de tratamiento térmico: la gasificación. Sistemas de tratamiento térmico: la pirólisis. Los procesos biológicos aplicados a los residuos. Procesos de recuperación de la energía. Tecnologías innovadoras aplicadas al tratamiento de residuos. Impactos ambientales del reciclado, valorización y recuperación de residuos. Huella de carbono, Economía circular y energía. 

 

Contenidos:

1. Recursos hidrocarbonados fósiles, renovables y biorenovables. Hidrocarburos procedentes de la biomasa: La biomasa como materia prima. Química de la biomasa. Biocarburantes y biocombustibles. Fuentes de biomasa, biomasa residual y logística de aprovisionamiento. 

2. Biorrefinerías para la industria química. Desarrollo histórico. Consideraciones económicas y de proceso. Productos, materiales y mercados de productos carbonados. Carbohidratos, triglicéridos, ácidos grasos, proteínas, etc. Otros productos naturales de interés para el sector químico. Valorización y fraccionamiento. Procesos termoquímicos. Procesos bioquímicos. Rutas catalíticas y biocatalíticas para obtención de productos de química fina.

3. Bioeconomía. Planes de bioeconomía. Impactos ambientales y huella de carbono. Marco administrativo y legislativo. 

Contenidos:

1. Gestión de residuos de la industria agroalimentaria. Residuos, subproductos y coproductos: bioeconomía y economía circular en la industria alimentaria. Tipos de residuos.  Políticas de gestión de residuos de la industria agroalimentaria. Aspectos económicos, sociales y medioambientales de la gestión de los residuos de la industria alimentaria. 

2. Valorización de residuos sólidos de la industria alimentaria. Tratamiento de los residuos sólidos. Clasificación de los residuos y presencia de compuestos de interés. Características de los compuestos de interés. Estrategia general de valorización de residuos. 

3. Residuos líquidos de la industria alimentaria. Sostenibilidad y optimización de la gestión del agua en la industria alimentaria. Aprovechamiento de aguas residuales de la industria alimentaria: extracción de compuestos de interés. Reutilización de aguas: eliminación de contaminantes. 

4. Técnicas utilizadas en la extracción de compuestos de interés. Clasificación. Extracción en fase líquida (extracción sólidolíquido, extracción líquido-líquido, diálisis). Predicción de la solubilidad de un compuesto en un disolvente. Extracción en fase gaseosa. Extracción en fase sólida y precipitación. 

5. Caracterización y aplicación de los compuestos extraídos. Obtención de sustancias bioactivas para la elaboración de alimentos funcionales, nutraceúticos y cosmeceúticos. Obtención de monómeros para la generación de bioplásticos. Obtención de biodisolventes. Obtención de sustancias para su utilización como materias primas. 

Contenidos:

1. Introducción. Ventajas de la utilización de estrategias de extracción sostenibles. Clasificación y métrica de las técnicas de extracción sostenibles. 

2. Extracción con disolventes sostenibles. Biodisolventes. Líquidos iónicos. Disolventes eutécticos de bajo punto de fusión. Herramientas para la predicción de la solubilidad. 

3. Extracción asistida con ultrasonidos focalizados de alta intensidad. Fundamento. Instrumentación. Aplicaciones. 

4. Extracción asistida por microondas. La radiación de microondas. Fundamento. Instrumentación. Aplicaciones. 

5. Extracción con fluidos supercríticos. Diagrama de fases. Tipos de fluidos supercríticos. Instrumentación. Aplicaciones. 

6. Extracción con líquidos presurizados. Introducción. Instrumentación. Aplicaciones. Extracción con agua subcrítica. 

7. Extracción con líquidos expandidos por gases. Fundamento. Aplicaciones. 

8. Extracción asistida por pulsos de alta intensidad. Introducción. Instrumentación. Aplicaciones.

9. Otras técnicas. Extracción sin disolvente. Extracción con micelas.  

Contenidos:

1. Producción de hidrógeno. Reformado con vapor y oxidación parcial de combustibles fósiles. Gasificación y pirolisis de biomasa. Electrolisis del agua. Fotosíntesis artificial. Producción fotobiológica. Purificación del hidrógeno. 

2. Catálisis para la conversión de CO2. Producción de gas de síntesis a partir de CO2 e H2 renovable: Reformado seco, reacción reversa de desplazamiento de gas de agua, reducción foto y electrocatalítica de CO2, otras rutas. Conversión de CO2 en metanol y éter dimetílico. Conversión de CO2 en metano: Reacción de Sabatier. Conversión de CO2 en olefinas de cadena corta. 

3. Almacenamiento químico de hidrógeno. Almacenadores orgánicos e inorgánicos de hidrógeno (MOFs, hidruros metálicos, borohidruros, alanatos, amidas metálicas, amoniaco-borano, LOHCs). Catalizadores y mecanismos de las reacciones de hidrogenación/deshidrogenación. Almacenamiento basado en la hidrogenación/deshidrogenación de CO2: ácido fórmico, formaldehido y metanol. 

4. Baterías. Almacenamiento electroquímico de energía. Operación de una batería. Principales tipos de batería. Baterías recargables. Baterías de ion de litio. Baterías de ion de sodio. Baterías de flujo redox. Supercondensadores. Aplicaciones. 

5. Células de combustible. Clasificación: temperatura de operación, estado y naturaleza del electrolito, combustible. Reacciones en una célula de combustible. Termodinámica. Eficiencia. Electrocatalizadores. Configuraciones típicas: Pilas de Combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC). directa de metanol (DMFC), de óxido sólido (SOFC), de carbonato fundido (MFC). Aplicaciones.  

6. Bioenergía. La biomasa como recurso energético. Tipos y plataformas tecnológicas para su aprovechamiento energético. Procesos biológicos para la producción de biocombustibles, biogás y bioelectricidad: Conceptos básicos y tendencias. Bioelectrogénesis: bases bioquímicas, producción de electricidad en reactores microbianos. Acoplamiento entre tecnologías de generación de energía y de descontaminación.

Contenidos:

1. Síntesis de amoniaco. Sistemas heterogéneos: proceso Haber-Bosch. Sistemas biológicos: Nitrogenasas. Sistemas homogéneos: catalizadores moleculares para la reducción de dinitrógeno a amoniaco. 

2. Reducciones. Reacciones de hidrogenación directas y por transferencia. Hidrogenación asimétrica de olefinas y reducción asimétrica de cetonas.  

3. Oxidaciones. Proceso de Wacker. Epoxidación de olefinas. Epoxidación asimétrica de olefinas. Oxidación de alcoholes. Oxidación de alcanos. 

4. Monóxido de carbono como bloque de construcción. Carbonilación de metanol, hidroformilación de olefinas, otras carbonilaciones. 

5. Formación de enlaces carbono-carbono. Reacciones de acoplamiento C-C: acoplamientos cruzados (Suzuki-Miyaura, Negishi, Stille, atc.), reacciones de Heck, y reacciones de Sonogashira. Acoplamientos por activación de enlaces C-H. Metátesis de olefinas: ROMP, RCM, ADMET. 

6. Polimerización. Polimerización de olefinas: catalizadores Ziegler-Natta, catalizadores metaloceno, catalizadores de los últimos grupos de transición. Polimerización de monómeros polares. Polimerización por apertura de anillo. 

7. Conversión de biomasa y dióxido de carbono en productos químicos. Hidrogenaciones (monosacáridos, furfurales, ácidos carboxílicos, compuestos grasos, terpenos, etc.). Hidrogenolisis/dehidroxilación de polioles. Hidrólisis/hidrogenación de polisacáridos. Oxidación de carbohidratos y derivados. Bioplásticos: nuevas estrategias de síntesis, métodos de polimerización sostenibles, nuevas alternativas a monómeros tóxicos y monómeros obtenidos a partir de biomasa. Procesos catalíticos más relevantes para la producción de productos químicos a partir de CO2. 

8. Retos en química sostenible. Catálisis sin metales preciosos. Catálisis en nuevos medios de reacción. Recuperación y reciclado de catalizadores. Integración de procesos y catalizadores en cascada. 

Contenidos:

En esta asignatura se planteará a los estudiantes varios casos de química sostenible para su estudio. Los estudiantes formarán grupos de 4, cada uno de los cuáles se responsabilizará de desarrollar uno de los casos, buscando bibliografía, preparando un informe, y exponiendo un resumen de este ante el resto de la clase. Cada estudiante participará en la preparación de dos casos. 

Materias optativas (elegir 1)

Distribución de horas:

Presencialidad mínima, 210 h; pruebas, tutorías y trabajo no presencial, 90 h. 


Contenidos:

Esta materia tiene carácter optativo y está dirigida a aquellos alumnos que quieren orientarse hacia una salida al mercado laboral. Con las prácticas en empresa, se busca complementar la formación recibida en el máster con la adquisición de una experiencia laboral que ayude a la aplicación práctica de los conocimientos teóricos obtenidos y facilite la incorporación del estudiante al mundo laboral. 

Las prácticas podrán realizarse en cualquier empresa o institución pública o privada con la que la UAH tenga un convenio firmado. En la actualidad, la UAH tiene convenio con más de 70 empresas o centros de investigación del sector químico. El IQAR está además afiliado a través de la UAH a la plataforma de sostenibilidad química SusChem España, en la que participan numerosas empresas del sector. El Máster está gestionando algunos convenios específicos con empresas del sector, entre ellas, aquellas que participan en el Campus de Energía Inteligente al que está adscrito la UAH. 

El Máster nombrará, entre sus profesores, un tutor para cada alumno que deberá: 

1. Coordinarse con el tutor de la entidad colaboradora para aprobar el proyecto formativo y velar por su normal desarrollo.  

2. Hacer un seguimiento efectivo de las prácticas, haciendo visitas a la entidad colaboradora si lo considera oportuno, y realizando las tutorías necesarias con el alumno.  

3. Guardar confidencialidad en relación con cualquier información que conozca como consecuencia de su actividad como tutor.  

4. Informar a la dirección del Máster de las incidencias que pudieran surgir durante el desarrollo de las prácticas.  

La entidad colaboradora nombrará un tutor que deberá acordar el proyecto formativo con el tutor de la UAH, supervisar el desarrollo de las prácticas del alumno, y emitir un informe al final de estas. Al finalizar las prácticas, el estudiante realizará un informe de estas, que entregará por escrito y presentará oralmente ante un tribunal compuesto por su tutor y otros dos profesores del máster. El tribunal procederá a evaluar y calificar el trabajo desarrollado por el alumno de acuerdo con los informes presentados por tutor y alumno y la exposición realizada por este último. 

Distribución de horas: 

Seminarios, 72 h; prácticas, 105 h; pruebas, tutorías y trabajo no presencial, 123 h. 

Contenidos: 

Esta Unidad tiene carácter optativo y está dirigida a aquellos alumnos que quieren orientarse hacia la investigación. Se organiza como un módulo constituido de diversas materias que el alumno escogerá de acuerdo con las necesidades de su orientación investigadora. Las materias podrán estar orientadas a adquirir capacidades relacionadas con el uso de técnicas instrumentales y de software científico, el entrenamiento experimental, incluyendo formación en seguridad e higiene, y el tratamiento de la información y presentación de resultados científicos. Las materias ofertadas podrán ser modificadas para adaptarse a los cambios en las necesidades investigadoras. El estudiante debe de superar materias que, al menos, sumen los 12 ECTS. 

Trabajo fin de Máster (obligatorio)

Este curso supone la introducción del alumno en la investigación científica a través del desarrollo experimental de un proyecto de investigación. Para ello contará con la guía de un director y se encuadrará en un grupo de investigación. El trabajo fin de máster también podrá ser realizado en centros de investigación públicos o privados externos con los que se firme el correspondiente convenio. En este caso, el alumno contará con un director en el centro colaborador y un tutor del cuadro de profesores del máster. 

El objetivo es que adquiera capacidades investigadoras mediante el planteamiento de un problema científico, el diseño y realización de experimentos, el seguimiento de la bibliográfica y la evaluación y presentación de los resultados. Los temas de trabajo son los propios de los grupos de investigación participantes en este Máster. 
Además de las metodologías propias del trabajo experimental, la formación se complementará con la participación del alumno en los seminarios de investigación que habitualmente realizan los grupos de investigación del IQAR. Esta actividad desarrolla la capacidad para la exposición y discusión de los resultados científicos obtenidos y la actualización de los avances más importantes que se van publicando en el área de investigación en la que se lleva a cabo el propio trabajo de investigación.  

Para la obtención de los créditos asignados al trabajo experimental, el alumno llevará a cabo una exposición y defensa pública de una memoria ante un tribunal compuesto por tres personas, de las que una de ellas no podrá ser profesor de este Máster. El Director del trabajo de investigación no podrá formar parte de este tribunal. El tribunal procederá a evaluar y calificar el trabajo desarrollado por el alumno, así como el informe presentado y la exposición realizada.