Una alternativa prometedora a las centrales eléctricas convencionales, Las celdas de combustible de óxido sólido utilizan métodos electroquímicos que pueden generar energía de manera más eficiente que los generadores de combustión existentes. Pero las pilas de combustible tienden a degradarse demasiado rápido, consumiendo cualquier ganancia de eficiencia a través del aumento de costos.

Ahora, en un avance que podría ayudar a abrir el camino hacia dispositivos de energía verde de mayor duración, Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han revelado nuevos conocimientos sobre las reacciones químicas que impulsan las pilas 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 gran obstáculo para el mercado de consumo".

Él y sus colaboradores describieron sus hallazgos recientemente en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .

Una de las razones por las que las pilas de combustible se degradan es que los dispositivos deben funcionar a temperaturas extremadamente altas:más de 1, 500 grados Fahrenheit:para impulsar las reacciones químicas que crean electricidad.

Las pilas de combustible combinan oxígeno con una fuente de combustible externa, un proceso similar a la transformación que produce calor y luz que ocurre en el fuego. Sin embargo, las pilas de combustible realizan esas reacciones químicas sin quemarse. Es por eso que las pilas de combustible pueden generar energía con mucha más eficiencia que la combustión.

En lugar de, las celdas de combustible funcionan como baterías, que consta de 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 se puede transportar y combinar con combustible. En tono rimbombante, la división del oxígeno libera electrones que pueden moverse a través de un circuito como corriente para alimentar hogares o dispositivos. Esta división de oxígeno tiene lugar en un componente llamado cátodo.

Pero el oxígeno gaseoso es bastante estable y, por lo tanto, reacio a dividirse. Y los esfuerzos para impulsar las reacciones de manera eficiente a temperaturas más bajas con materiales compatibles han sido un desafío, en parte porque los investigadores realmente no conocen los detalles a escala atómica de las reacciones químicas que tienen lugar en el cátodo.

"Previamente, los investigadores realmente no entendieron cuáles son los pasos que limitan la velocidad de cómo el oxígeno llega a la superficie, se divide y entra en un material, "dice Yipeng Cao, el alumno principal del estudio.

Para que el oxígeno entre en el cátodo, la molécula de gas debe dividirse en dos átomos. Entonces cada átomo debe encontrar una estructura llamada vacante, que es un pequeño espacio molecular en la superficie del material que permite la entrada de oxígeno. Comprender 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 las 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 información 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 que limita 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 y entran vacantes en la superficie.

Material con más vacantes, por lo tanto, potencialmente podría hacer que las pilas de combustible sean mucho más eficientes.

"Esto podría permitir el diseño de materiales de una manera que antes era muy difícil, "dice Morgan.

Los investigadores se centraron en un material en particular, un compuesto modelo para muchos cátodos comunes de pilas de combustible llamado cobaltato de estroncio de lantano. Están planeando expandir el análisis para incluir otros materiales pronto.

Los hallazgos podrían tener un impacto más allá de las pilas de combustible, también. Los materiales que intercambian oxígeno con el medio ambiente tienen numerosas aplicaciones, incluso en la división del agua, CO ₂ reducción, separación de gas, y componentes electrónicos llamados memristores.

"Creo que manejamos mucho mejor cómo controlar el proceso de intercambio de oxígeno, "dice Morgan." Es temprano, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."