Electroquímica para la seguridad hídrica.

Una colaboración entre la UNAM y la Universidad de Illinois al servicio del agua

Esta colaboración nació en el marco de una serie de seminarios científicos diseñados para fomentar el intercambio académico entre el Instituto de Energías Renovables (IER) de la UNAM y la Universidad de Illinois (UI). Durante estos encuentros, el doctor Joaquín Rodríguez-López, del campus Urbana-Champaign de la UI, y el doctor Hugo Olvera-Vargas, investigador del IER, identificamos coincidencias claras en líneas de investigación, particularmente en el uso de la electroquímica como herramienta para enfrentar retos en los ámbitos del medio ambiente y la energía.

Ambos investigadores compartimos un interés común en la electrocatálisis, un campo que estudia cómo ciertos materiales pueden acelerar reacciones químicas mediante el uso de electricidad. En específico, encontramos afinidad en el desarrollo de tecnologías capaces de generar oxidantes fuertes, como el peróxido de hidrógeno (H₂O₂), con aplicaciones directas en el tratamiento de aguas residuales. Las conversaciones iniciales evolucionaron hacia la formulación de una propuesta conjunta que fue presentada al UI System/UNAM Joint Research Partnership Program, un programa de financiamiento de proyectos semilla para el fortalecimiento de la colaboración científica entre ambas instituciones.

 Monserrat García Silva

La motivación central del proyecto radica en una preocupación compartida: la creciente escasez y contaminación del agua a nivel global, fenómenos que representan una de las mayores amenazas ambientales y sociales del siglo XXI. Desde esta perspectiva, coincidimos en la necesidad de sumar capacidades y enfoques complementarios para contribuir al desarrollo de soluciones innovadoras y sostenibles. Rodríguez-López aportó su experiencia en el estudio de superficies catalíticas mediante técnicas electroquímicas avanzadas, así como en el diseño y evaluación de materiales nanoestructurados basados en semiconductores. Los materiales estudiados permiten producir H₂O₂ de forma electroquímica; una molécula clave para la degradación de contaminantes del agua. Olvera-Vargas contribuyó con su trayectoria en el desarrollo de procesos electroquímicos de oxidación avanzada, que aprovechan el H₂O₂ in situ (además de otros compuestos oxidantes) para producir otras especies altamente reactivas, capaces de destruir contaminantes complejos de manera eficiente, reduciendo su impacto ambiental y facilitando la reutilización del agua tratada. Gracias a esta sinergia científica y a la relevancia del problema abordado, el proyecto fue seleccionado para recibir financiamiento en la segunda edición del programa UI System/UNAM Joint Research Partnership Program en 2024, consolidando así una colaboración internacional orientada a generar conocimiento y tecnología con impacto ambiental y social. 

RETOS TÉCNICOS Y CIENTÍFICOS ACTUALES EN EL ESTUDIO Y LA GESTIÓN DEL AGUA
Además de la creciente escasez de agua en muchas regiones del planeta, agravada por los efectos del cambio climático, uno de los retos más serios en materia hídrica es la contaminación. Este problema se debe, en gran medida, a la enorme diversidad de contaminantes que genera la actividad humana y a que una proporción significativa de las aguas residuales producidas a escala global no recibe un tratamiento adecuado. Como consecuencia, numerosas fuentes de agua dulce se han visto severamente afectadas, comprometiendo su disponibilidad para consumo humano y el equilibrio de los ecosistemas.

En México esta situación es particularmente preocupante. Varias de las principales cuencas hídricas superficiales del país, como los ríos Lerma–Santiago, Atoyac y Balsas en la región centro, presentan altos niveles de contaminación asociados a la intensa actividad industrial, la limitada eficiencia de muchas plantas de tratamiento de aguas residuales y una gestión históricamente deficiente de los recursos hídricos.

CONTAMINANTES EMERGENTES AUN EN CONCENTRACIONES MUY BAJAS, PUEDEN GENERAR EFECTOS ADVERSOS SIGNIFICATIVOS

Dentro de este contexto, las aguas residuales de origen industrial representan una de las principales fuentes de contaminación. Estos efluentes suelen contener sustancias químicas sintéticas que son difíciles de eliminar mediante los procesos convencionales de tratamiento, diseñados para enfrentar otro tipo de compuestos. Muchos de ellos resultan tóxicos tanto para los ecosistemas acuáticos como para la salud humana. Entre estos contaminantes se encuentran los llamados contaminantes emergentes —fármacos, pesticidas, productos de cuidado personal, microplásticos o compuestos perfluorados—, presentes también en aguas residuales domésticas y comerciales. Aun en concentraciones muy bajas, estos compuestos pueden generar efectos adversos significativos. Pese a su impacto ambiental y en la salud pública, y pese a los avances regulatorios en regiones como la Unión Europea y Estados Unidos, estos contaminantes aún no están contemplados de manera explícita en los marcos normativos mexicanos.

Ante este panorama, el desarrollo de materiales y procesos de tratamiento de aguas residuales eficientes y ambientalmente sostenibles se vuelve una necesidad apremiante para garantizar el acceso a agua limpia y la protección de los ecosistemas. En este sentido, nuestro proyecto se enfoca en el diseño y evaluación de sistemas innovadores basados en superficies electrocatalíticas selectivas, capaces de generar especies químicas altamente oxidantes para la degradación de contaminantes tóxicos. Estos materiales se integran en sistemas electroquímicos de oxidación avanzada con un alto potencial para el tratamiento de aguas residuales complejas y la eliminación de contaminantes emergentes.

De manera específica, trabajamos con superficies de vanadato de bismuto (BiVO₄), un semiconductor prometedor para la producción anódica de H₂O₂ y otras especies oxidantes, cuya generación depende de la composición química del medio. Al combinarse con cátodos derivados de carbono, estos materiales dan lugar a sistemas de tratamiento altamente eficientes, basados en la descomposición catalítica del H₂O₂ para formar oxidantes muy reactivos.

Figura 1. Sistema de tratamiento

 Elaboración propia

CONFIANZA Y COMPRENSIÓN INTERCULTURAL
Aunque las y los estudiantes de maestría o doctorado eventualmente desarrollen sus tesis en temas científicos especializados, como puede ser el desarrollo de técnicas analíticas (Rodríguez-López) o materiales y procesos para la producción de H2O2 (Olvera-Vargas), un aspecto común es el deseo de lograr algo más trascendente, como crear una tecnología o generar conocimiento que beneficie a la humanidad. En nuestros años como docentes e investigadores hemos comprobado que esto es un deseo que trasciende culturas y nacionalidades. En este sentido, además del UI System/UNAM Joint Research Partnership Program, la colaboración se fortalece con la Illinois Mexican and Mexican American Students Initiative (I-MMAS), cuyo objetivo es estrechar vínculos e impulsar el intercambio entre México y Estados Unidos, particularmente de estudiantes de México y de ascendencia mexicana en ambos países. Este entorno también brinda la oportunidad a científicas y científicos como el doctor Rodríguez-López, para reconectar con sus raíces. Cabe resaltar que Urbana-Champaign es un espacio decididamente multicultural y el proyecto así lo refleja, involucrando estudiantes de India, China, México y Estados Unidos.

Más allá de que México y Estados Unidos, como vecinos que comparten vastas regiones de Norteamérica, enfrentan desafíos comunes en torno de la gestión y tratamiento del agua, existe una conciencia global sobre el valor de este recurso, tal como lo reconoce el objetivo 6 de las Naciones Unidas en el marco de los Objetivos del Desarrollo Sostenible adoptados en 2015 junto con el Acuerdo de París. La ciencia, guiada por un método y motivaciones universales, nos muestra que solucionar un problema en Norteamérica implica también aportar soluciones a un problema en India, China o cualquier otra región del mundo. Nuestras experiencias colectivas en estos contextos diversos nos proporcionan pluralidad de perspectivas, habilidades y formas de abordar los desafíos. Trabajar en la solución de problemáticas relacionadas con el agua es una tarea que trasciende fronteras culturales y nos recuerda que resolver problemas fundamentales en química, incluso a la escala diminuta de las moléculas, es una forma de generar impacto a nivel global.

BENEFICIOS TANGIBLES PARA LAS COMUNIDADES Y APORTES A POLÍTICAS PÚBLICAS RELACIONADAS CON EL AGUA
El trabajo de ambos investigadores en el ámbito de la electroquímica aplicada a los retos de la energía y el medio ambiente tiene un impacto directo en la sociedad, ya que contribuye al desarrollo y la promoción de tecnologías orientadas al bienestar de las comunidades. Nuestras investigaciones abordan dos ejes estratégicos para el desarrollo sostenible: el suministro de energía en el contexto de la transición energética y el fortalecimiento de la seguridad hídrica, fundamentales para la protección de la salud pública y la preservación de los ecosistemas. Si bien nuestra labor se centra principalmente en investigación fundamental a escala de laboratorio, los materiales, técnicas y procesos que desarrollamos están concebidos con una clara vocación aplicada, con el objetivo de impulsar sistemas con potencial para convertirse en tecnologías que aceleren la transición hacia un modelo de desarrollo más sostenible. Por ejemplo, una consideración central de la investigación en curso es privilegiar el uso de métodos químicos que aprovechen al máximo sustancias relativamente sencillas, incluso presentes en el aire que respiramos, y que minimicen la generación de efectos secundarios indeseables. De esta manera, se busca que las soluciones propuestas sean, además de científicamente robustas; seguras, escalables y susceptibles de ser ampliamente implementadas. Asimismo, nuestros estudios sobre contaminación y remediación del agua pueden aportar bases científicas sólidas para el diseño de políticas públicas orientadas a la regulación de contaminantes emergentes, los cuales representan un riesgo significativo para la salud pública y que, en el caso de México, aún no han sido incorporados de manera adecuada en la normativa ambiental.

Izquierda: Hugo Olvera-Vargas (IER), Aditi Prasad (estudiante de doctorado UIUC) y Joaquín Rodríguez-López en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (2025).
Derecha: Blanca Diana García Morales (estudiante de maestría IER) en el Simposio Recent Advances on Sustainable Advanced Oxidation Processes (AOPs) for the Environment realizado en el marco del Congreso Internacional de la Sociedad Química de México, Monterrey, 2025.

 Hugo Olvera Vargas

HACIA EL FUTURO: COOPERACIÓN CIENTÍFICA ENTRE MÉXICO Y ESTADOS UNIDOS 
Una analogía muy utilizada en Estados Unidos para describir la creación de estructuras que facilitan el flujo de estudiantes entre instituciones con el fin de sostener y fortalecer el crecimiento de un proyecto es la de un conducto de agua (pipeline). Esta metáfora le va “como anillo al dedo” a nuestros estudios del agua. Consideramos que establecer un conducto bidireccional es imprescindible para intercambiar lo mejor de los recursos tecnológicos y la creatividad de ambas partes con el fin de maximizar el impacto de nuestros estudios. Nuestras dinámicas de colaboración ya lo han demostrado: una estudiante de Illinois (originaria de India) que visitó México para un congreso de procesos avanzados de oxidación para remediación de aguas residuales regresó con una perspectiva renovada sobre su proyecto y con la convicción de profundizar en aspectos químicos que antes no había considerado. Uno de nosotros (Hugo Olvera Vargas) visitó los laboratorios de Illinois y se capacitó en la técnica de microscopía electroquímica de barrido, la cual ahora podrá ser aprovechada por más personas académicas y estudiantes del IER en Morelos. Uno de nuestros objetivos es multiplicar estas experiencias multiculturales e interdisciplinarias y compartirlas con colegas con el fin de que puedan replicarse y adaptarse en diversos campos científicos. En este contexto, iniciativas como I-MMAS en Illinois son cruciales para consolidar y promover la colaboración entre instituciones.

LA CAPACIDAD DE GENERAR NUEVAS INTERROGANTES Y ABRIR PROSPECTOS INÉDITOS ES UNO DE LOS RESULTADOS MÁS SATISFACTORIOS DE LA INVESTIGACIÓN

Existe también un legado técnico y científico. En el marco de nuestro proyecto hemos identificado mecanismos de generación de especies reactivas que no habían sido considerados anteriormente. Estos descubrimientos no sólo nos impulsan a desarrollar nuevos métodos para el tratamiento del agua, sino también nos fuerzan a formular preguntas fundamentales sobre los principios químicos que subyacen a estas observaciones. Esta capacidad de generar nuevas interrogantes y abrir prospectos inéditos es uno de los resultados más satisfactorios de la investigación, y esperamos compartir pronto estos avances con el mundo a través de publicaciones científicas y desarrollos tecnológicos.

Todo ello contribuye a un objetivo más amplio: avanzar hacia un mundo con mejor calidad de agua y saneamiento y con estudiantes transformándose en científicas y científicos preparadas para afrontar los retos del futuro.

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