Una alternativa prometedora a las centrales eléctricas convencionales, las celdas de combustible de óxido sólido usan métodos electroquímicos que pueden generar energía de manera más eficiente que los generadores existentes basados en la combustión. Pero las celdas de combustible tienden a degradarse demasiado rápido, consumiendo cualquier ganancia de eficiencia a través de un mayor costo
Ahora, en un avance que podría ayudar a abrir el camino hacia dispositivos de energía verde de vida más larga, los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han revelado nuevas ideas sobre las reacciones químicas que alimentan las celdas de combustible.
"Las pilas de combustible son tecnologías interesantes con capacidades potencialmente disruptivas", dice Dane Morgan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison que dirigió la investigación. "Pero los problemas de degradación han sido un obstáculo importante para el mercado de consumo".
Él y sus colaboradores describieron sus hallazgos recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Una razón por la que las celdas de combustible se degradan es que los dispositivos deben funcionar a temperaturas extremadamente altas, superiores a 1,500 grados Fahrenheit, para impulsar las reacciones químicas que generan electricidad.
Las celdas de combustible combinan oxígeno con una fuente de combustible externa, un proceso similar a la transformación de calor y producción de luz que ocurre en el fuego. Sin embargo, las celdas de combustible realizan esas reacciones químicas sin quemar. Es por eso que las celdas de combustible pueden generar energía con mucha más eficiencia quecombustión.
En cambio, las celdas de combustible funcionan de manera similar a las baterías, que consisten en dos electrodos separados por un electrolito, que es un material que transporta iones. Uno de los electrodos divide el gas oxígeno del aire en átomos individuales, que luego pueden transportarse y combinarse conEs importante destacar que dividir el oxígeno libera electrones que pueden moverse a través de un circuito como corriente para alimentar hogares o dispositivos. Esta división del oxígeno tiene lugar en un componente llamado cátodo.
Pero el gas oxígeno es bastante estable y, por lo tanto, se muestra reacio a dividirse. Y los esfuerzos para impulsar las reacciones de manera eficiente a temperaturas más bajas con materiales compatibles han sido desafiantes, en parte porque los investigadores realmente no conocen los detalles a escala atómica de las reacciones químicas que tomancolocar en el cátodo.
"Anteriormente, los investigadores realmente no entendían cuáles son los pasos que limitan la velocidad de cómo el oxígeno llega a una superficie, se divide y entra en un material", dice Yipeng Cao, el estudiante líder en el estudio.
Para que el oxígeno ingrese al cátodo, la molécula de gas debe dividirse en dos átomos. Luego, cada átomo debe encontrar una estructura llamada vacante, que es una pequeña brecha molecular en la superficie del material que permite la entrada de oxígeno.Este proceso es difícil porque ocurre en las capas atómicas superiores del cátodo, cuya química puede ser bastante diferente de la mayor parte del material.
"Medir la composición y la química de vacantes en esas dos capas superiores es extremadamente difícil", dice Morgan.
Es por eso que él y sus colegas recurrieron a las simulaciones por computadora. Como expertos líderes en modelado molecular, combinaron la teoría funcional de la densidad y el modelado cinético para obtener una visión a nivel atómico de las reacciones que ocurren en las dos capas superiores del cátodo.
El equipo determinó que la división no es el paso limitante de la velocidad en el material estudiado. Aprendieron que lo que limita la eficiencia de las celdas de combustible es la forma en que los átomos de oxígeno encuentran e ingresan vacantes en la superficie.
El material con más vacantes, por lo tanto, podría hacer que las celdas de combustible sean mucho más eficientes.
"Esto podría permitir el diseño de materiales de una manera que era muy difícil de hacer antes", dice Morgan.
Los investigadores se centraron en un material en particular, un compuesto modelo para muchos cátodos comunes de celdas de combustible llamado cobaltato de lantano y estroncio. Están planeando expandir el análisis para incluir otros materiales pronto.
Los hallazgos también podrían tener un impacto más allá de las celdas de combustible. Los materiales que intercambian oxígeno con el medio ambiente tienen numerosas aplicaciones, incluso en la división del agua, CO 2 reducción, separación de gases y componentes electrónicos llamados memristors.
"Creo que tenemos un manejo mucho mejor sobre cómo controlar el proceso de intercambio de oxígeno", dice Morgan. "Es temprano, pero esto podría abrir la puerta a una estrategia de diseño ampliamente aplicable para controlar el intercambio de oxígeno".
Esta investigación fue apoyada por subvenciones del Departamento de Energía de los EE. UU. DESC0001284 y la National Science Foundation OCI-1053575.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :