Las simulaciones de investigadores en Japón brindan nuevos conocimientos 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 microscópicas como punto de partida. Esta mejor comprensión podría dar pistas sobre formas de mejorar el rendimiento y la durabilidad en dispositivos futuros.

Extremadamente prometedor para la generación de electricidad limpia y eficiente, Las celdas de combustibles de óxido sólido producen electricidad a través de la reacción electroquímica de un combustible con el aire. y ya han comenzado a abrirse camino en hogares y edificios de oficinas en todo Japón.

En una pila de combustible típica, Las moléculas de oxígeno de un lado de la pila de combustible reciben primero electrones y se descomponen 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 y liberan sus electrones adicionales. Estos electrones fluyen a través de cables externos de regreso al lado inicial, completando así el circuito y alimentando todo 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 simples, superficies planas:dificultan la investigación de los fenómenos a nivel atómico.

Dado que el conocimiento detallado de las reacciones que ocurren en los dispositivos es vital para mejorar aún más el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible, el desafío ha sido comprender cómo las estructuras microscópicas, hasta la alineación de los átomos en las diferentes interfaces, afectan 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, el jefe del grupo que dirigió la investigación en el Centro de Investigación Fronteriza 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 complejas estructuras y comportamientos que ocurren en el mundo real ".

El grupo de Koyama tenía como objetivo superar estas deficiencias aplicando simulaciones con parámetros refinados a modelos realistas de las interfaces clave basados ​​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 cortes delgados de las celdas de combustible utilizando microscopía electrónica de resolución atómica. Con base en estas observaciones, Luego, los investigadores reconstruyeron modelos de computadora con las mismas estructuras atómicas para dos arreglos representativos que observaron.

Las reacciones entre el hidrógeno y el oxígeno en estas celdas de combustible virtuales se simularon luego con un método llamado Reactive Force Field Molecular Dynamics, que utiliza un conjunto de parámetros para aproximar cómo los átomos interactuarán, e incluso reaccionarán químicamente, entre sí, sin entrar en toda la complejidad de los rigurosos cálculos químicos cuánticos. 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 de modelos, los investigadores encontraron que era más probable que las reacciones deseadas ocurrieran en capas con un tamaño de poro más pequeño.

Es más, identificaron una nueva vía de reacción en la que el oxígeno migra a través de las capas a granel de una manera que potencialmente podría degradar el rendimiento y la durabilidad. Por lo tanto, Se deben considerar estrategias para evitar esta posible ruta de reacción mientras los investigadores trabajan para diseñar celdas de combustible mejoradas.

"Estos son los tipos de conocimientos que solo podemos 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 microscópicas como base de simulaciones para comprender fenómenos que no podemos medir y observar fácilmente en el laboratorio ".