Un sorprendente hallazgo de laboratorio del MIT sobre el comportamiento de una lámina delgada de material - menos de una milésima del grosor de un cabello humano - podría llevar a mejores formas de estudiar el comportamiento de los electrodos y quizás en última instancia a la mejora de la tasa de producción de energía a partir de un tipo de célula de combustible, según un informe publicado esta semana.
En muchos casos, las capas delgadas de un material - que pueden ser sólo unas pocas moléculas de espesor - exhiben propiedades diferentes a partir de bloques sólidos del mismo material. Pero a pesar de que se trata de un fenómeno que se conoce, la naturaleza de la diferencia el equipo del MIT encontró en el comportamiento de películas delgadas de un mineral llamado perovskita - en este caso, depositado en una capa delgada sobre la superficie de un cristal de zirconio - "fue muy inesperado ", dice Yang Shao-Horn, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales e ingeniería en el MIT, que dirigió la investigación. El trabajo fue realizado en colaboración con Hans Christen y Michael Biegalski en Oak Ridge National Laboratory.
En las células de combustible, un combustible como el hidrógeno o el metanol reacciona en presencia de un catalizador, liberando su energía química en vez de ser quemados. Como resultado, pueden producir electricidad a partir de combustible sin emitir gases de efecto invernadero y otros contaminantes, por lo que se considera una alternativa prometedora aproximación para la generación de electricidad. Y a diferencia de las baterías, que deben ser recargadas en un proceso que consume tiempo, una pila de combustible puede ser reabastecido rápidamente.
La principal barrera para lograr una mayor eficiencia en las pilas de combustible, que se consideran una vía prometedora para el suministro de electricidad para el transporte futuro o sistemas estacionarios de energía, es la lentitud de reacciones del oxígeno en el cátodo, uno de los dos terminales eléctricos en el dispositivo. En las pilas de combustible de autos, la tasa de reducción del oxígeno (es decir, átomos de oxígeno se combina con el hidrógeno) es el factor limitante en la potencia de salida del dispositivo. Muchos equipos están buscando formas de mejorar la eficiencia y reducir los costes de los dos tipos principales de células de combustible: las células de combustible de óxido sólido (SOFC) y de intercambio de protones de las células de combustible de membrana (PEMFC). Este trabajo analiza las posibles mejoras en el cátodo en pilas SOFC, que podría encontrar aplicación en sistemas de gran escala, tales como plantas de energía eléctrica. La nueva investigación sugiere que esta actividad se puede incrementar hasta en un ciento por uno mediante el uso de películas delgadas de compuestos perovskita determinados.
Las investigaciones anteriores habían encontrado lo contrario, que las películas delgadas de algunos materiales de perovskita fueron cien veces menos reactivo que el material a granel, Shao-Cuerno dice. Los nuevos resultados se publican en línea en la revista alemana Angewandte Chemie, los autores principales son el ex estudiante de Gerardo la O 'y el investigador postdoctoral Ahn Sung-Jin. El trabajo fue apoyado por la NSF, el Departamento de Energía de EE.UU., Oak Ridge National Laboratory y la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología.
Al crear la clase de gran pureza láminas delgadas de material utilizado en este estudio - en este caso, tan delgado como 20 nanómetros, o millonésimas de metro - que es posible estudiar los detalles de cómo la superficie del material reacciona en gran parte mayor detalle que ha sido posible en la investigación con materiales a granel. Esta investigación muestra que las características únicas de película fina pueden mejorar la actividad catalítica.
"Hasta donde sabemos, ésta es la primera vez que estas películas finas se han demostrado para exhibir" el aumento de la actividad, Shao-Cuerno dice. El equipo continúa la investigación para verificar sus hipótesis sobre las razones para el aumento de la actividad, y para explorar una familia de materiales que pueden exhibir propiedades similares. "Estamos trabajando en determinar por qué" el nivel de actividad es tan alto, Shao-Cuerno dice, lo que sugiere que el incremento de la reactividad del material puede ser consecuencia de un estiramiento de la superficie. Esto puede cambiar el contenido de vacantes de oxígeno o de la estructura electrónica del material, las posibilidades que se están examinando en el grupo Shao-Horn.
Mientras que muchas células de combustible usan electrodos hechos con metales preciosos como el platino, los electrodos en este experimento se hacen de materiales relativamente abundantes como el cobalto, el lantano y estroncio, Shao-Cuerno dice, por lo que debería ser relativamente baratos de producir. Además, este material trabaja a temperaturas mucho más bajas que las existentes electrodos SOFC, que podría ser una ventaja porque "a temperaturas más bajas, la degradación del material puede ser mucho más reducido", dice ella. Considerando que las células actuales funcionan a temperaturas de 800 grados Celsius o superior, el nuevo enfoque podría dar lugar a materiales que puedan trabajar a 500 grados centígrados, como fue el caso en estas pruebas.
Este trabajo es sólo el primer paso, sin embargo. Shao-Cuerno subraya que este es el comienzo de una nueva área de investigación fundamental, y podría conducir a la exploración de toda una familia de compuestos posibles en busca de uno con una combinación óptima de alta actividad catalítica y alta estabilidad. Este material altamente reactiva podría encontrar un hogar en lugares distintos de pilas de combustible: por ejemplo, en sensores de alta temperatura y en las membranas utilizadas al oxígeno separados de nitrógeno y otros gases, dice.
Morales R. Karelis
CI 18088895
ESS secc 2
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