Usando métodos computacionales avanzados, Los científicos de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto nuevos materiales que podrían acercar a la realidad el uso comercial generalizado de las pilas de combustible de óxido sólido.

Una celda de combustible de óxido sólido es esencialmente un motor que proporciona una forma alternativa de quemar combustibles fósiles o hidrógeno para generar energía. Estas pilas de combustible queman su combustible de forma electroquímica en lugar de por combustión, y son más eficientes que cualquier motor de combustión práctico.

Como tecnología de energía alternativa, Las pilas de combustible de óxido sólido son versátiles fuente de energía altamente eficiente que podría jugar un papel vital en el futuro de la energía. Las pilas de combustible de óxido sólido se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, desde servir como fuente de alimentación para edificios hasta aumentar la eficiencia del combustible en los vehículos.

Sin embargo, Las pilas de combustible de óxido sólido son más costosas que las tecnologías energéticas convencionales. y eso ha limitado su adopción.

"Mejores catalizadores de cátodo pueden permitir un funcionamiento a temperaturas más bajas, que puede aumentar la estabilidad y reducir los costos, potencialmente permitiéndole sacar su edificio de la red eléctrica y, en su lugar, alimentarlo con una celda de combustible de óxido sólido que funcione con gas natural, "dice Dane Morgan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison. "Si podemos llegar a ese punto con pilas de combustible de óxido sólido, la infraestructura de energía de muchos edificios en el país podría cambiar, y sería una transformación muy grande hacia una infraestructura de energía más descentralizada ".

Dirigido por Morgan y Ryan Jacobs, un científico de planta en el grupo de investigación de Morgan, un equipo de ingenieros de UW-Madison ha aprovechado técnicas computacionales basadas en la mecánica cuántica para buscar nuevos materiales candidatos prometedores que podrían permitir que las celdas de combustible de óxido sólido funcionen a temperaturas más bajas, con mayor eficiencia y mayor vida útil.

Su cribado computacional de más de 2, 000 materiales candidatos de una amplia clase de compuestos llamados perovskitas arrojaron una lista de 52 nuevos materiales cátodos potenciales para celdas de combustible de óxido sólido.

Los investigadores publicaron detalles de su avance recientemente en la revista. Materiales energéticos avanzados .

"Con esta investigación, hemos proporcionado recomendaciones específicas de compuestos prometedores que deberían explorarse más a fondo, "dice Morgan, cuyo trabajo es apoyado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias. "Algunos de los nuevos materiales cátodos candidatos que identificamos podrían ser transformadores para las celdas de combustible de óxido sólido para reducir costos".

Además de identificar nuevos materiales, El enfoque de los investigadores les permitió codificar principios de diseño de materiales que anteriormente se habían basado en la intuición y ofrecer sugerencias para mejorar los materiales existentes.

Típicamente, Las pilas de combustible de óxido sólido deben funcionar a temperaturas de alrededor de 800 grados Celsius. Pero operar a estas altas temperaturas significa que los materiales en la celda de combustible se degradan rápidamente y limitan la vida útil del dispositivo. La meta, dice Jacobs, es permitir que las pilas de combustible de óxido sólido funcionen a una temperatura más baja, y frenar esa degradación. Las celdas de combustible con una vida útil prolongada no necesitarían reemplazos frecuentes, haciéndolos más rentables.

Para alcanzar esta meta, los investigadores se propusieron encontrar compuestos estables con alta actividad para catalizar la reacción de reducción de oxígeno, un proceso químico clave para las aplicaciones de energía de pilas de combustible de óxido sólido.

"Si puede encontrar nuevos compuestos que sean estables en las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible y altamente catalíticamente activos, puedes tomar ese establo, material altamente activo y úselo a una temperatura reducida sin dejar de lograr el rendimiento deseado de la pila de combustible, "explica Jacobs, quien fue el autor principal del estudio.

Sin embargo, el uso de modelos computacionales para calcular cuantitativamente la actividad catalítica de un compuesto de perovskita es prohibitivamente difícil debido a la alta complejidad de la reacción de reducción de oxígeno.

Para superar este desafío, los investigadores utilizaron un enfoque en el que seleccionaron un parámetro físico que era más sencillo de calcular, y luego demostró empíricamente que se correlacionaba con la actividad catalítica, sirviendo así como un proxy eficaz para la actividad catalítica. Una vez que establecieron estas correlaciones con los datos de los experimentos, los investigadores pudieron utilizar herramientas computacionales de alto rendimiento para seleccionar de manera efectiva un gran grupo de materiales en busca de alta actividad catalítica.

Los investigadores de UW-Madison están colaborando con un grupo en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL), que realizó pruebas iniciales en uno de los materiales catódicos candidatos del equipo.

"Esta investigación está en curso, pero las primeras pruebas realizadas por nuestros colaboradores de NETL encontraron que el material era bastante prometedor, "Dice Morgan.

Morgan dice que este proyecto es un ejemplo del tipo de avances que son apoyados por la Iniciativa del Genoma de Materiales, un esfuerzo nacional permanente que tiene como objetivo duplicar la velocidad con la que el país descubre, desarrolla y fabrica nuevos materiales.

"Este proyecto integró correlaciones de experimentos con bases de datos digitales en línea y herramientas computacionales de alto rendimiento para diseñar nuevos materiales de pilas de combustible de óxido sólido, por lo que es exactamente el tipo de cosas que se habilitan con la infraestructura y los enfoques que han sido desarrollados y puestos en marcha por la Iniciativa del Genoma de Materiales, "Dice Morgan.