Impulsar automóviles limpios y eficientes es solo una de las formas en que la tecnología de celdas de combustible podría acelerar a la humanidad hacia un futuro energético sostenible, pero desafortunadamente, la tecnología ha sido un poco lenta. Ahora, los ingenieros pueden esencialmente potenciar las celdas de combustible con un nuevo catalizador.
La lentitud proviene de un cuello de botella químico, la tasa de procesamiento de oxígeno, un ingrediente clave que ayuda a las celdas de combustible, que están relacionadas con las baterías, a producir electricidad. El nuevo catalizador, un material de nanotecnología desarrollado por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia,acelera notablemente el procesamiento de oxígeno y es objeto de un nuevo estudio.
En parte para dar cabida a las limitaciones de oxígeno, las celdas de combustible generalmente requieren combustible de hidrógeno puro, que reacciona con el oxígeno extraído del aire, pero los costos de producción del hidrógeno han sido prohibitivos. El nuevo catalizador puede cambiar el juego.
"Puede convertir fácilmente combustible químico en electricidad con alta eficiencia", dijo Meilin Liu, quien dirigió el estudio y es profesora de regentes en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Puede permitirle usar combustibles fácilmente disponibles comometano o gas natural o simplemente usar combustible de hidrógeno de manera mucho más eficiente ", dijo Liu.
Catalizador 8 veces más rápido
El catalizador logra la eficiencia al acelerar el oxígeno a través del sistema de una celda de combustible. "Es más de ocho veces más rápido que los materiales de última generación que hacen lo mismo ahora", dijo Yu Chen, un investigador postdoctoral asociado en Liu'slaboratorio y el primer autor del estudio.
Existen algunos tipos de celdas de combustible, pero los investigadores trabajaron para mejorar las celdas de combustible de óxido sólido, que se encuentran en algunos autos prototípicos de celdas de combustible. Los conocimientos de la investigación también podrían ayudar a perfeccionar los supercondensadores y la tecnología combinada con paneles solares, avanzando asíenergía sostenible más allá del potencial inmediato del nuevo catalizador para mejorar las celdas de combustible.
Liu y Chen publicaron su estudio en la edición de marzo de la revista julio . Su investigación fue financiada por el Departamento de Energía de los EE. UU. Y por el Programa de Investigación Innovadora y Empresarial de Guangdong. El trabajo con celdas de combustible del laboratorio de Liu ya ha atraído un importante interés en la industria energética y automotriz.
oxígeno naturalmente lento
Aunque funcionan de manera diferente a las celdas de combustible y son mucho menos eficientes y limpios, los motores de combustión son una metáfora útil para ayudar a comprender cómo funcionan las celdas de combustible y el nuevo catalizador.
En un motor de combustión, el combustible de un tanque y el oxígeno del aire se unen para reaccionar en una explosión, produciendo energía que hace girar el cigüeñal. Agregar un turbocompresor acelera el proceso al mezclar combustible y oxígeno más rápidamente y apresurarlos acombustión.
Actualmente, en las celdas de combustible, el combustible de hidrógeno de un tanque y el oxígeno del aire también impulsan un proceso que produce energía, en este caso, electricidad. Los dos ingredientes se unen en una reacción, pero uno muy diferente de la combustión, ymucho más limpio
Un extremo de la celda de combustible, el ánodo, elimina los electrones de los átomos de hidrógeno en lo que se llama oxidación y envía los electrones a través de un circuito externo como corriente eléctrica al cátodo en el otro lado. Allí, el oxígeno, que es notoriamente hambriento de electrones, absorbe los electrones en lo que se llama reducción, y eso mantiene el flujo de electricidad.
El hidrógeno, ahora cargado positivamente, y el oxígeno, ahora cargado negativamente, se unen para formar agua, que es el escape de la celda de combustible.
En esa cadena de reacción, el oxígeno es el enlace lento de dos maneras: la reducción de oxígeno lleva más tiempo que la oxidación del hidrógeno, y el oxígeno reducido se mueve más lentamente a través del sistema para encontrarse con el hidrógeno. De manera análoga al turbocompresor, el nuevo catalizador empuja el oxígenoadelante.
aumento de oxígeno nano
El catalizador se aplica como un recubrimiento transparente de solo dos docenas de nanómetros de espesor y está compuesto por dos soluciones de nanotecnología conectadas que rompen ambos cuellos de botella de oxígeno.
Primero, las nanopartículas altamente atractivas para el oxígeno agarran la molécula de O2 y dejan que los electrones entrantes salten rápidamente sobre ella, reduciéndola fácilmente y rompiéndola en dos iones de oxígeno separados cada uno un O2-. Luego, una serie de huecos químicos llamados vacantes de oxígenoque están integrados en las estructuras de las nanopartículas absorben los iones de oxígeno como cadenas de aspiradoras que pasan los iones mano a mano a la segunda fase del catalizador.
La segunda fase es un recubrimiento que está lleno de vacantes de oxígeno que pueden pasar el O2, incluso más rápidamente hacia su destino final.
"El oxígeno baja rápidamente a través de los canales y entra en la celda de combustible, donde se encuentra con el hidrógeno ionizado u otro donante de electrones como el metano o el gas natural".
Los iones se juntan para formar agua, que sale de la celda de combustible. En el caso del combustible de metano, también se emite CO2 puro, que puede ser capturado y reciclado nuevamente en el combustible.
Metales raros interesantes
En la primera etapa, hay dos sabores diferentes de nanopartículas en el trabajo. Ambos tienen cobalto, pero uno contiene bario y el otro praseodimio, un metal de tierras raras que puede ser costoso en grandes cantidades.
"El praseodimio está en cantidades tan pequeñas que no afecta los costos", dijo Liu. "Y el catalizador ahorra mucho dinero en combustible y en otras cosas".
Las altas temperaturas de funcionamiento en las celdas de combustible existentes requieren costosas carcasas protectoras y materiales de enfriamiento. Los investigadores creen que el catalizador podría ayudar a reducir las temperaturas al reducir la resistencia eléctrica inherente a la química actual de las celdas de combustible. Eso podría, a su vez, reducir los costos generales del material.
revestimiento de cátodo protector
La segunda etapa del catalizador es una red que contiene praseodimio y bario, así como calcio y cobalto PBCC. Además de su función catalítica, el recubrimiento PBCC protege el cátodo de la degradación que puede limitar la vida útil de las celdas de combustible.y dispositivos similares.
El material del cátodo original subyacente, que contiene los metales lantano, estroncio, cobalto y hierro LSCF, se ha convertido en un estándar de la industria pero viene con una advertencia.
"Es muy conductivo, muy bueno, pero el problema es que el estroncio sufre una disminución llamada segregación en el material", dijo Liu. "Un componente de nuestro catalizador, PBCC, actúa como un recubrimiento y mantiene el LSCF mucho más estable"
La fabricación de LSCF ya está bien establecida, y es probable que se logre razonablemente agregar el recubrimiento de catalizador a la producción. Liu también está considerando reemplazar el cátodo de LSCF por completo con el nuevo material catalizador, y su laboratorio está desarrollando otro catalizador para aumentar el combustiblereacciones de oxidación en el ánodo de la pila de combustible.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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