Impulsar automóviles limpios y eficientes es solo una de las formas en que la tecnología de células de combustible podría acelerar a la humanidad hacia un futuro energético sostenible, pero desafortunadamente la tecnología ha sido un poco lenta
La lentitud proviene de un cuello de botella químico, la tasa de procesamiento de oxígeno, un ingrediente clave que ayuda a las células de combustible, que están relacionadas con las baterías, a producir electricidad. El nuevo catalizador, un material de nanotecnología desarrollado por ingenieros del Georgia Institute of Technology, acelera notablemente el procesamiento de oxígeno y es el tema de un nuevo estudio.
En parte para dar cabida a las limitaciones del oxígeno, las pilas de combustible generalmente requieren combustible de hidrógeno puro, que reacciona con el oxígeno captado desde el aire, pero los costos de producción del hidrógeno han sido prohibitivos. El nuevo catalizador es un potencial cambio de juego.
"Puede convertir fácilmente combustible químico en electricidad con alta eficiencia", dijo Meilin Liu, quien dirigió el estudio y es profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Puede permitirle usar combustibles fácilmente disponibles como metano o gas natural o simplemente usar combustible de hidrógeno de manera mucho más eficiente", dijo Liu.
Catalizador 8 veces más rápido
El catalizador logra la eficiencia al acelerar el oxígeno a través del sistema de una celda de combustible. "Es más de ocho veces más rápido que los materiales de última generación que hacen lo mismo ahora", dijo Yu Chen, un investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Liu y el primer autor del estudio.
Hay algunos tipos de células de combustible, pero los investigadores trabajaron para mejorar las células de combustible de óxido sólido, que se encuentran en algunos prototipos de coches de pila de combustible. Los conocimientos de investigación también podrían ayudar a perfeccionar los supercondensadores y la tecnología combinada con paneles solares, con lo que se avanza en la energía sostenible más allá del potencial inmediato del nuevo catalizador para mejorar las células de combustible.
Liu y Chen publicaron su estudio en la edición de marzo de la revista Joule . Su investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y por el Programa de Investigación Innovador y Empresarial de Guangdong. El trabajo de la celda de combustible del laboratorio de Liu ya ha atraído un interés significativo de la industria de la energía y la industria automotriz.
Oxígeno naturalmente lento
Aunque funcionan de manera diferente a las celdas de combustible y son mucho menos eficientes y limpios, los motores de combustión son una metáfora útil para ayudar a comprender cómo funcionan las pilas de combustible y el nuevo catalizador.
En un motor de combustión, el combustible de un tanque y el oxígeno del aire se unen para reaccionar en una explosión, produciendo energía que convierte un cigüeñal. Agregar un turbocompresor acelera el proceso al mezclar combustible y oxígeno juntos más rápidamente y apresurándolos a la combustión.
Actualmente, en las celdas de combustible, el combustible de hidrógeno de un tanque y el oxígeno del aire también conducen un proceso que produce energía, en este caso, electricidad. Los dos ingredientes se unen en una reacción, pero uno muy diferente de la combustión, y mucho más limpio.
Un extremo de la pila de combustible, el ánodo, elimina los electrones de los átomos de hidrógeno en lo que se llama oxidación y envía los electrones a través de un circuito externo como corriente eléctrica al cátodo en el otro lado. Allí, el oxígeno, que está notoriamente ansioso de electrones, absorbe los electrones en lo que se llama reducción, y eso mantiene la electricidad fluyendo.
El hidrógeno, ahora con carga positiva, y el oxígeno, ahora con carga negativa, se unen para formar agua, que es el escape de la pila de combustible.
En esa cadena de reacción, el oxígeno es el enlace lento de dos maneras: la reducción de oxígeno lleva más tiempo que la oxidación del hidrógeno y el oxígeno reducido se mueve más lentamente a través del sistema para encontrarse con el hidrógeno. De forma análoga al turbocompresor, el nuevo catalizador empuja el oxígeno hacia adelante.
Ritmo nanotecnológico del oxígeno
El catalizador se aplica como un recubrimiento transparente de solo dos docenas de nanómetros de espesor y está compuesto por dos soluciones de nanotecnología conectadas que rompen los dos cuellos de botella de oxígeno.
En primer lugar, las nanopartículas altamente atractivas para el oxígeno agarran la molécula de O2 y permiten que los electrones de entrada salten rápidamente sobre ella, reduciéndola fácilmente y dividiéndola en dos iones de oxígeno separados (cada uno un O2-). Luego, una serie de brechas químicas llamadas vacantes de oxígeno que están incorporadas en las estructuras de las nanopartículas absorben los iones de oxígeno como cadenas de aspiradoras que pasan los iones de la mano a la mano a la segunda fase del catalizador.
La segunda fase es un recubrimiento que está lleno de vacantes de oxígeno que pueden pasar el O2, incluso más rápidamente hacia su destino final.
"El oxígeno baja rápidamente a través de los canales y entra a la celda de combustible, donde se encuentra con el hidrógeno ionizado u otro donador de electrones como el metano o el gas natural".
Los iones se juntan para hacer agua, que sale de la celda de combustible. En el caso del combustible de metano, también se emite CO2 puro, que puede capturarse y reciclarse nuevamente en combustible.
Interesantes metales raros
En la primera etapa, hay dos sabores diferentes de nanopartículas en el trabajo. Ambos tienen cobalto, pero uno contiene bario y el otro praseodimio, un metal de tierras raras que puede ser costoso en grandes cantidades.
"El praseodimio es en cantidades tan pequeñas que no afecta los costos", dice Liu. "Y el catalizador ahorra mucho dinero en combustible y en otras cosas".
Las altas temperaturas de operación en las celdas de combustible existentes requieren costosas cubiertas protectoras y materiales de enfriamiento. Los investigadores creen que el catalizador podría ayudar a reducir las temperaturas al reducir la resistencia eléctrica inherente a la química de las pilas de combustible actuales. Eso podría, a su vez, reducir los costos generales de materiales.
Recubrimiento de cátodo protector
La segunda etapa del catalizador es una retícula que contiene praseodimio y bario, así como calcio y cobalto (PBCC). Además de su función catalítica, el recubrimiento de PBCC protege el cátodo de la degradación que puede limitar la vida útil de las pilas de combustible y dispositivos similares.
El material del cátodo original subyacente, que contiene los metales lantano, estroncio, cobalto y hierro (LSCF), se ha convertido en un estándar de la industria, pero viene con una advertencia.
"Es muy conductivo, muy bueno, pero el problema es que el estroncio sufre una disminución llamada segregación en el material", dice Liu. "Un componente de nuestro catalizador, PBCC, actúa como un recubrimiento y mantiene el LSCF mucho más estable".
La fabricación de LSCF ya está bien establecida, y la adición del recubrimiento de catalizador a la producción podría ser razonablemente lograda. Liu también está considerando reemplazar completamente el cátodo LSCF con el nuevo material catalizador, y su laboratorio está desarrollando un catalizador más para impulsar las reacciones de oxidación del combustible en el ánodo de la celda de combustible.
Fecha actualización el 2021-03-17. Fecha publicación el 2018-03-17. Categoría: Ciencia. Autor: Oscar olg Mapa del sitio Fuente: domain-b