Las simulaciones de investigadores en Japón proporcionan nuevas perspectivas sobre las reacciones que ocurren en las celdas de combustible de óxido sólido mediante el uso de modelos realistas a escala atómica del sitio activo en el electrodo basados en observaciones de microscopio como punto de partida. Esta mejor comprensión podría dar pistas sobreformas de mejorar el rendimiento y la durabilidad en dispositivos futuros.
Extremadamente prometedoras para la generación de electricidad limpia y eficiente, las celdas de combustible de óxido sólido producen electricidad a través de la reacción electroquímica de un combustible con aire, y ya han comenzado a llegar a hogares y edificios de oficinas en todo Japón.
En una celda de combustible típica, las moléculas de oxígeno en un lado de la celda de combustible primero reciben electrones y se rompen en iones de óxido. Los iones de óxido luego viajan a través de un electrolito al otro lado del dispositivo, donde reaccionan con el combustible yliberan sus electrones adicionales. Estos electrones fluyen a través de los cables externos hacia el lado de inicio, completando así el circuito y alimentando lo que esté conectado a los cables.
Aunque esta reacción general es bien conocida y relativamente simple, el paso de reacción que limita la velocidad general del proceso sigue siendo controvertido porque las estructuras complicadas de los electrodos, que generalmente son materiales porosos en lugar de superficies simples y planas, dificultan la investigaciónde los fenómenos a nivel atómico.
Dado que el conocimiento detallado sobre las reacciones que ocurren en los dispositivos es vital para mejorar aún más el rendimiento y la durabilidad de las celdas de combustible, el desafío ha sido comprender cómo las estructuras microscópicas, hasta la alineación de los átomos en las diferentes interfaces,afectar las reacciones
"Las simulaciones por computadora han jugado un papel poderoso en la predicción y comprensión de reacciones que no podemos observar fácilmente a escala atómica o molecular", explica Michihisa Koyama, directora del grupo que dirigió la investigación en el Centro de Investigación de Fronteras INAMORI de la Universidad de Kyushu.
"Sin embargo, la mayoría de los estudios han asumido estructuras simplificadas para reducir el costo computacional, y estos sistemas no pueden reproducir las estructuras complejas y el comportamiento que ocurre en el mundo real".
El grupo de Koyama tuvo como objetivo superar estas deficiencias mediante la aplicación de simulaciones con parámetros refinados a modelos realistas de las interfaces clave basadas en observaciones microscópicas de las posiciones reales de los átomos en el sitio activo del electrodo.
Aprovechando la fuerza del Centro de Investigación de Ultramicroscopía de la Universidad de Kyushu, los investigadores observaron cuidadosamente la estructura atómica de rodajas finas de las celdas de combustible utilizando microscopía electrónica de resolución atómica. Sobre la base de estas observaciones, los investigadores reconstruyeron modelos de computadora con las mismas estructuras atómicas parados arreglos representativos que observaron.
Las reacciones entre hidrógeno y oxígeno en estas celdas de combustible virtuales se simularon luego con un método llamado Dinámica molecular de campo de fuerza reactiva, que utiliza un conjunto de parámetros para aproximar cómo interactuarán los átomos, e incluso reaccionar químicamente, entre sí, sinentrando en la complejidad completa de los cálculos químicos cuánticos rigurosos. En este caso, los investigadores emplearon un conjunto mejorado de parámetros desarrollados en colaboración con el grupo de Yoshitaka Umeno en la Universidad de Tokio.
Al observar el resultado de múltiples ejecuciones de las simulaciones en los diferentes sistemas modelo, los investigadores encontraron que las reacciones deseadas tenían más probabilidades de ocurrir en las capas con un tamaño de poro más pequeño.
Además, identificaron una nueva vía de reacción en la que el oxígeno migra a través de las capas a granel de una manera que podría degradar el rendimiento y la durabilidad. Por lo tanto, las estrategias para evitar esta posible ruta de reacción deben considerarse a medida que los investigadores trabajan para diseñar celdas de combustible mejoradas.
"Estos son los tipos de información que solo podríamos obtener al observar los sistemas del mundo real", comenta Koyama. "En el futuro, espero ver a más personas usando estructuras atómicas del mundo real recreadas a partir de observaciones de microscopio como basede simulaciones para comprender fenómenos que no podemos medir y observar fácilmente en el laboratorio "
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Materiales proporcionados por Universidad de Kyushu . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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