Óxidos hexagonales de perovskita mejoran celdas de combustible cerámicas protónicas

MadridInvestigadores del Instituto Tecnológico de Tokio han logrado un importante avance en la tecnología de celdas de combustible. Han descubierto que los óxidos relacionados con la perovskita hexagonal, especialmente Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (donde R es un metal de tierras raras), podrían ser materiales efectivos para las celdas de combustible de cerámica protónica (PCFCs). Este hallazgo es prometedor para el desarrollo de mejores celdas de combustible.

• Alta conductividad de protones
• Estabilidad térmica excepcional
• Estructura cristalina única
• Capacidad de hidratación completa
• Difusión de protones elevada

Las celdas de combustible generan electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno, produciendo únicamente agua y calor como desechos. Están compuestas por tres partes principales: ánodo, cátodo y electrolito. En el ánodo, el hidrógeno se descompone en protones (H⁺) y electrones. Los protones pasan a través del electrolito hacia el cátodo, donde se mezclan con el oxígeno para formar agua.

La mayoría de las celdas de combustible, conocidas como celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), utilizan conductores de iones de óxido y requieren altas temperaturas para funcionar, lo que puede desgastar los materiales con el tiempo. Los investigadores están explorando las celdas de combustible cerámico protónico (PCFC) porque pueden operar a temperaturas más bajas (200-500 °C). Sin embargo, es un reto encontrar materiales que ofrezcan buena conductividad protónica y sean estables a estas temperaturas reducidas.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio y la Universidad de Tohoku, liderados por el Profesor Masatomo Yashima, descubrieron que los óxidos de Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ podrían ser excelentes electrolitos. Estos óxidos mostraron una alta conductividad de protones, aproximadamente 0.01 S cm⁻¹ a unos 300 °C, lo cual es superior a otros materiales similares. Los metales raros utilizados en el estudio fueron Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm y Yb.

La alta conductividad de protones se debe a la estructura cristalina especial del material. Este cuenta con capas de octaedros y capas pobres en oxígeno llamadas A O₃-δ (h'). Al añadir agua, los espacios vacíos en estas capas se llenan, formándose grupos hidroxilo (OH⁻) que liberan protones (H⁺). Estos protones se desplazan a través de la estructura, mejorando la conductividad.

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Los investigadores desarrollaron BEAS mediante reacciones en estado sólido. El material presentaba numerosas vacantes de oxígeno (δ = 0,2) y tenía la capacidad de hidratarse completamente, absorbiendo agua por completo. En un entorno de nitrógeno húmedo a 356 °C, su conductividad era 2,100 veces mayor que en un entorno de nitrógeno seco. Cuando estaba completamente hidratado, su conductividad alcanzó 0,01 S cm⁻¹ a 303 °C.

Las capas octaédricas permiten un fácil movimiento de protones, lo que mejora la conductividad de protones. Simulaciones demostraron que los protones en estas capas viajaban largas distancias, indicando que se mueven rápidamente. Yashima explica que BEAS tiene una alta conductividad de protones debido a que posee un gran número de protones y una alta tasa de difusión.

El material se mantiene estable en diferentes productos químicos a las temperaturas empleadas en las operaciones de PCFC. Pruebas realizadas a 600 °C con vapor de agua, oxígeno, aire, hidrógeno y CO₂ no mostraron alteraciones en su composición y estructura. Esto indica que es resistente y puede utilizarse de manera continua sin degradarse.

Yashima afirma que la alta conductividad de protones en ciertos materiales con numerosas lagunas de oxígeno es un método eficaz para desarrollar conductores de protones eficientes en el futuro.

Este material podría hacer que las pilas de combustible sean más eficientes, duraderas y operen a temperaturas más bajas.