En una investigación que podría impulsar el trabajo en una variedad de tecnologías, incluidas las celdas de combustible, clave para almacenar energía solar y eólica, los investigadores del MIT han encontrado una forma relativamente simple de aumentar la vida útil de estos dispositivos:cambiar el "pH" del sistema.

Las celdas de combustible y electrólisis hechas de materiales conocidos como óxidos metálicos sólidos son de interés por varias razones. Por ejemplo, en el modo de electrólisis, son muy eficientes para convertir la electricidad de una fuente renovable en un combustible almacenable como hidrógeno o metano que se puede usar en el modo de celda de combustible para generar electricidad cuando el sol no brilla o el viento es fuerte. no sopla También se pueden fabricar sin utilizar metales costosos como el platino. Sin embargo, su viabilidad comercial se ha visto obstaculizada, en parte, porque se degradan con el tiempo. Los átomos de metal que se filtran de las interconexiones utilizadas para construir bancos de celdas de combustible/electrólisis envenenan lentamente los dispositivos.

"Lo que pudimos demostrar es que no solo podemos revertir esa degradación, sino que en realidad mejoramos el rendimiento por encima del valor inicial al controlar la acidez de la interfaz del electrodo de aire", dice Harry L. Tuller, profesor de R.P. Simmons de Cerámica y Materiales Electrónicos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

La investigación, inicialmente financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. a través del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética de la Oficina de Energía Fósil y Gestión del Carbono (FECM), debería ayudar al Departamento a cumplir su objetivo de reducir significativamente la tasa de degradación de las celdas de combustible de óxido sólido para 2035-2050. .

"Extender la vida útil de las celdas de combustible de óxido sólido ayuda a brindar la producción de hidrógeno de bajo costo y alta eficiencia y la generación de energía necesaria para un futuro de energía limpia", dice Robert Schrecengost, director interino de la División de Hidrógeno con Gestión del Carbono de FECM. "El Departamento aplaude estos avances para madurar y, en última instancia, comercializar estas tecnologías para que podamos proporcionar energía limpia y confiable para el pueblo estadounidense".

"He estado trabajando en esta área toda mi vida profesional, y lo que he visto hasta ahora son principalmente mejoras incrementales", dice Tuller, quien recientemente fue nombrado miembro de la Sociedad de Investigación de Materiales 2022 por su trabajo de toda una carrera en sólidos. estado quimico y electroquimico. "La gente normalmente está satisfecha con ver mejoras en factores de 10 por ciento. Entonces, en realidad ver mejoras mucho mayores y, lo que es más importante, identificar la fuente del problema y los medios para solucionarlo, problemas con los que hemos estado luchando durante todas estas décadas, es notable".

Dice James M. LeBeau, otro profesor del MIT involucrado en el trabajo, "este trabajo es importante porque podría superar [algunas] de las limitaciones que han impedido el uso generalizado de las celdas de combustible de óxido sólido. Además, el concepto básico se puede aplicar a muchos otros materiales utilizados para aplicaciones en el campo relacionado con la energía". LeBeau es profesor asociado John Chipman de ciencia e ingeniería de materiales

El trabajo se informó el 11 de agosto, en línea, en Energy &Environmental Science . Otros autores del artículo son Han Gil Seo, becario postdoctoral de DMSE; Anna Staerz, ex becaria postdoctoral de DMSE, ahora en el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC) de Bélgica y pronto se unirá a la facultad de la Escuela de Minas de Colorado; Dennis S. Kim, asociado postdoctoral de DMSE; Dino Klotz, científico visitante de DMSE, ahora en Zurich Instruments; Michael Xu, estudiante de posgrado de DMSE, y Clement Nicollet, anteriormente becario postdoctoral de DMSE, ahora en la Université de Nantes. Seo y Staerz contribuyeron igualmente al trabajo.

Lo que hicieron

Una celda de combustible/electrólisis tiene tres partes principales:dos electrodos (un cátodo y un ánodo) separados por un electrolito. En el modo de electrólisis, la electricidad de, por ejemplo, el viento, se puede utilizar para generar combustible almacenable como metano o hidrógeno. Por otro lado, en la reacción inversa de la celda de combustible, ese combustible almacenable se puede usar para generar electricidad cuando no sopla el viento.

Una celda de combustible/electrólisis en funcionamiento se compone de muchas celdas individuales que se apilan juntas y se conectan mediante interconexiones de metal de acero que incluyen el elemento cromado para evitar que el metal se oxide. Pero "resulta que a las altas temperaturas a las que funcionan estas celdas, parte de ese cromo se evapora y migra a la interfaz entre el cátodo y el electrolito, envenenando la reacción de incorporación de oxígeno", dice Tuller. Después de cierto punto, la eficiencia de la celda se ha reducido a un punto en el que ya no vale la pena operarla.

"Entonces, si puede prolongar la vida útil de la celda de combustible/electrólisis ralentizando este proceso, o idealmente invirtiéndolo, podría hacer mucho para que sea práctico", dice Tuller.

El equipo demostró que se pueden hacer ambas cosas controlando la acidez de la superficie del cátodo. También explicaron lo que está sucediendo.

Cambiar la acidez

Para lograr sus resultados, el equipo recubrió el cátodo de la celda de electrólisis/combustible con óxido de litio, un compuesto que cambia la acidez relativa de la superficie de ácida a más básica. "Después de agregar una pequeña cantidad de litio, pudimos recuperar el rendimiento inicial de una celda envenenada", dice Tuller. Cuando los ingenieros agregaron aún más litio, el rendimiento mejoró mucho más allá del valor inicial. "Vimos mejoras de tres a cuatro órdenes de magnitud en la tasa de reacción de reducción de oxígeno clave y atribuimos el cambio a poblar la superficie del electrodo con los electrones necesarios para impulsar la reacción de incorporación de oxígeno".

Los ingenieros continuaron explicando lo que está sucediendo al observar literalmente el material a nanoescala, o mil millonésimas de metro, con microscopía electrónica de transmisión y espectroscopía de pérdida de energía de electrones de última generación. "Estábamos interesados ​​en comprender la distribución de los diferentes aditivos químicos [cromo y óxido de litio] en la superficie", dice LeBeau.

Descubrieron que el óxido de litio disuelve efectivamente el cromo para formar un material vítreo que ya no sirve para degradar el rendimiento del cátodo.

¿Qué sigue?

Muchas tecnologías, como las celdas de combustible, se basan en la capacidad de los sólidos de óxido para respirar rápidamente oxígeno dentro y fuera de sus estructuras cristalinas, dice Tuller. El trabajo del MIT esencialmente muestra cómo recuperar y acelerar esa capacidad cambiando la acidez de la superficie. Como resultado, los ingenieros son optimistas de que el trabajo podría aplicarse a otras tecnologías, incluidos, por ejemplo, sensores, catalizadores y reactores basados ​​en permeación de oxígeno.

El equipo también está explorando el efecto de la acidez en los sistemas envenenados por diferentes elementos, como la sílice.

Concluye Tuller:"Como suele ser el caso en la ciencia, tropiezas con algo y notas una tendencia importante que no se había apreciado anteriormente. Luego, prueba ese concepto más a fondo y descubres que es realmente muy fundamental". + Explora más

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