El hidrógeno se considera la fuente de energía del futuro:se produce con energía solar y se puede utilizar para generar calor y electricidad en pilas de combustible. Los investigadores de Empa ahora han logrado decodificar el movimiento de los iones de hidrógeno en los cristales, un paso clave hacia una conversión de energía más eficiente en la industria del hidrógeno del mañana.

Como portadores de carga, los electrones y los iones juegan el papel principal en los dispositivos y convertidores de almacenamiento de energía electroquímica, como las baterías y las pilas de combustible. La conductividad de los protones es crucial para este último; protones, es decir, iones de hidrógeno cargados positivamente, se forman a partir de hidrógeno, que se utiliza para alimentar la pila de combustible. El físico de Empa Artur Braun y Qianli Chen, estudiante de doctorado en ETH Zurich, llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación suiza (SINQ) en el Instituto Paul Scherrer (PSI) que documentan la movilidad de los protones en la red cristalina. En el proceso, observaron que los movimientos de los protones en las pilas de combustible cerámicas obedecen a leyes mucho más complejas de lo que se suponía anteriormente:el movimiento de los protones se produce según el llamado modelo polarón, como informaron recientemente los investigadores en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .

Por mucho tiempo, la teoría del polarón desarrollada por el físico ruso y eventual premio Nobel Lev Davidovich Landau en 1933 solo se aplicó a los electrones. El modelo describe cómo los electrones se abren paso a través de un cristal dieléctrico y fuerzan a los átomos que interfieren fuera de su posición. que ralentiza los electrones. En otras palabras, los polarones son ondas de movimiento en el cristal, cuya propagación puede describirse como la trayectoria de una partícula. Pueden desviarse y reflejarse.

El polarón electrónico ha sido durante mucho tiempo un pilar de la física teórica y la base indiscutible para los cálculos de modelos aplicados en círculos de expertos. Por el contrario, la existencia de un polarón de hidrógeno, es decir, un ion de hidrógeno que "salta" de una posición a la siguiente, era solo una teoría especulativa hasta ahora. Aunque los biólogos utilizaron el modelo de salto de átomos de hidrógeno para explicar ciertos procesos metabólicos, Los físicos del estado sólido no consideraron los polarones de hidrógeno como un modelo explicativo válido.

Esto ahora podría cambiar:basado en experimentos con cristales de óxido cérico de bario dopado con itrio y óxido de circonio bario, Braun y Chen lograron probar la existencia del protón polarón. En un estado seco, estos cristales no son conductores. Si están expuestos a una atmósfera de vapor, sin embargo, Los grupos OH se forman dentro de la estructura cristalina. Los protones liberados pueden moverse entonces en forma de onda y el óxido se vuelve iónicamente conductor.

El calor y la alta presión dan prueba

Braun y Chen encontraron evidencia de ondas de iones de hidrógeno al estudiar los cristales en diferentes condiciones de alta presión y a temperaturas de hasta 600 grados Celsius. La buena conectividad de Empa en el mundo científico fue fundamental:las muestras se tomaron con rayos X en la fuente de neutrones de PSI y los experimentos de alta presión en los cristales se llevaron a cabo en conjunto con investigadores de la Facultad de Geociencias / Geografía de la Universidad Goethe. Fráncfort del Meno.

El resultado:a temperaturas de entre 220 y 520 grados, la conductividad aumenta exactamente en la misma medida que se predice en los cálculos del modelo para las vibraciones de la red del cristal. Por lo tanto, los protones se unen inicialmente a la red cristalina y comienzan a saltar a través del cristal de un grupo OH a otro en el concierto de vibraciones de la red cuando se calientan. Si el cristal se expone a alta presión con un compactador especial, hay menos espacio para los saltos de protones y la conductividad vuelve a caer. Esto prueba que el modelo polarón se aplica tanto a los electrones como a los protones. "Y quien sabe, tal vez la teoría también sea válida para otros iones como el litio, "especula Braun.

Los hallazgos de los investigadores de Empa pronto podrían proporcionar información vital sobre la elección del material para las celdas de combustible y los sistemas de almacenamiento de hidrógeno y, por lo tanto, influir en el suministro de energía del futuro. Sin embargo, el comportamiento de los aisladores cerámicos también se puede medir de manera más eficaz ahora:¿todavía aíslan bien en altas temperaturas en el aire exterior húmedo? ¿O se desarrollan fugas de corriente que se pueden atribuir a la conducción del polarón? Gracias al proyecto de Braun y Chen, que fue financiado por la Swiss National Science Foundation (SNSF), De este modo se pueden resolver ciertos enigmas de la ciencia de los materiales.