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» » » La liberación del oxígeno en las pilas de combustible


Referencia: MIT.edu .
por David L. Chandler,  30 abril 2013

Una nueva investigación del MIT de una estructura de "super-red", podría mejorar drásticamente la eficiencia de las pilas de combustible, las cuales se consideran una alternativa prometedora a las baterías para la alimentación de todo tipo de dispositivos electrónicos, para coches y casas.

Las pilas de combustible generan electricidad mediante la combinación de hidrógeno, o los combustibles de hidrocarburos, con el oxígeno. Sin embargo, los tipos más eficientes, llamadas pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), tienen el inconveniente de una utilidad limitada, incluido unas temperaturas de funcionamiento superiores a 700º C. Ahora, los investigadores del MIT han desentrañado las propiedades de una estructura de un material alternativo que promete ser un componente clave de estos dispositivos.

La nueva estructura es un "super-entramado" de dos compuestos intercalados a pequeña escala, podría servir como uno de los dos electrodos de la pila de combustible. Un material complejo, descubierto hace unos seis años, y conocido como LSC113/214, está compuesto de dos óxidos de los elementos lantano, estroncio y cobalto. Mientras que uno de los óxidos ya era conocido como un buen material para dichos electrodos, la combinación de los dos es mucho más potente para promocionar la reducción del oxígeno que cualquiera de los óxidos por sí solo.

Se pensaba que las interfaces entre estos dos óxidos debía ser la clave. Pero hasta ahora, nadie había sido capaz de observar las propiedades de la interfaz del LSC113/214 en funcionamiento, en una resolución suficientemente alta, y averiguar por qué funciona tan bien.

La reducción del oxígeno es una de las dos reacciones principales de una pila de combustible, y la que ha limitado su rendimiento global, por lo que encontrar materiales mejorados para dicha reacción podría ser un avance clave en las pilas de combustible, según los investigadores. Los nuevos hallazgos se publican en la revista Advanced Energy Materials en un artículo co-escrito por el estudiante graduado Yan Chen, los profesores Harry Tuller y Bilge Yildiz, y otros tres investigadores del MIT.

Yildiz, un profesor asociado de ciencia nuclear e ingeniería, dice que el LSC113/214 ha sido "un ejemplo singular" de material con muy alta reactividad a la reducción de oxígeno, los nuevos resultados explican por qué su buen funcionamiento podría dar lugar a una mayor optimización y al descubrimiento de otros materiales que puedan realizarlo aún mejor.

Lo mejor de ambos

La clave del rendimiento de este material, explica ella, es el matrimonio de cualidades complementarias de sus dos componentes. Uno de los óxidos permite una superior conducción y transferencia de electrones, mientras que el otro sobresale en la conservación de los átomos de oxígeno; para llevar a cabo su papel como cátodo de una pila de combustible, uno de sus dos electrodos, el material necesita tener ambas cualidades.

La proximidad de ambos materiales en este superentramado origina el "pedir prestado" los atributos del otro, según descubrió el equipo del MIT. El resultado es un material cuya reactividad sobrepasa al de los mejores materiales utilizados actualmente en las pilas de combustible, apunta Yildiz: "Es lo mejor de los dos mundos."

Ahora que el equipo del MIT ha analizado el LSC113/214, es posible que pueda descubrir aún los mejores materiales haciendo búsquedas sistemáticas, dijo Yildiz, el equipo está trabajando en ello. "Si somos capaces de resolver este problema, podremos hacer grandes progresos en la mejora de rendimiento", añade Tuller, profesor de materiales cerámicos y electrónicos en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería del MIT.

Una herramienta única permite las observaciones

El hallazgo fue posible gracias a la instrumentación desarrollada en el laboratorio de Yildiz en el MIT, tras la observación de las propiedades de transferencia de electrones en la superficie: el instrumento, en microscopio de efecto túnel modificado (STM), puede observar materiales en altas temperaturas y en un ambiente rico en oxígeno, "esto es representativo de las condiciones operativas de un cátodo en una pila de combustible", explica Yildiz. Este fenómeno de alta temperatura no habría sido detectable con los métodos convencionales.

Tuller describe este superentramado como un "pastel de capas" de dos diferentes óxidos. Sin embargo, estas capas son increíblemente delgadas. Para superar esto, el equipo hace "cortes" de las capas en un ángulo extremo, exponiendo gran parte de la superficie de cada uno. "Eso magnifica las capas por cien", señala.

Estos cortes se realizan mediante un haz iónico concentrado, indica Chen, a fin de exponer la interfaz de manera que el STM pueda observarlo más fácilmente en alta temperatura.

Los investigadores esperan que con este nuevo conocimiento, será posible avanzar con rapidez en la búsqueda de mejores materiales de electrodos, ayudando a crear unas pilas de combustible prácticas para una amplia gama de aplicaciones energética, desde la alimentación de hogares hasta los dispositivos móviles.

John Kilner, profesor de materias energéticas en el Imperial College de Londres, que no participó en este proyecto, llama a esto "un conjunto muy elegante de experimentos que contribuye en gran medida a nuestra comprensión de la compleja problemática del intercambio de oxígeno de la superficie."

A lo que añade Kilner, "espera a ver si podemos capitalizar este conocimiento para aplicarlo en la construcción de dispositivos prácticos, ya que esto abre la posibilidad de una ingeniería de nuevas estructuras con mejor rendimiento a bajas temperaturas."

El trabajo fue apoyado por el Department of Energy’s Basic Energy Sciences Program  de EE.UU.


- Imagen1) Un diagrama de las estructuras moleculares de ambos compuestos. Gráfico cortesía de Chen et al.
- Imagen 2) Professora Bilge Yildiz (left) y la estudiante graduada Yan Chen están al frente del STM. Foto cortesía de Bilge Yildiz .
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Editor del blog Pedro Donaire

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