27.03.2020 - Tokyo University of Science

El innovador electrolito más delgado puede mejorar el funcionamiento de las pilas de combustible de óxido sólido

Los científicos han sintetizado una nueva película delgada que podría hacer la producción de energía más eficiente y limpia

En esta era de post-industrialización, la electricidad se ha convertido en la columna vertebral de nuestra sociedad. Sin embargo, el uso de combustibles fósiles para generarla no es la mejor opción debido a su limitada disponibilidad y a su naturaleza dañina. En las dos últimas décadas, se han hecho esfuerzos significativos para desarrollar técnicas para fomentar la energía sostenible. Con este telón de fondo, las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) se han erigido como una alternativa limpia y altamente eficiente que puede generar energía eléctrica. Sin embargo, un gran inconveniente de las SOFC es su alta temperatura de funcionamiento, lo que restringe su uso generalizado.

Varios estudios anteriores han intentado superar este inconveniente mejorando la conductividad a altas temperaturas utilizando óxidos del tipo de la fluorita como el CeO2-δ. Normalmente, estos óxidos de fluorita están disponibles en forma porosa, y se cree que su mecanismo de conductividad depende de la adsorción superficial de las moléculas de agua, que es el proceso de adhesión de los átomos o moléculas a una superficie.

Un equipo de científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio, dirigido por el Dr. Tohru Higuchi, llevó esta investigación un paso adelante. En su nuevo estudio publicado en Nanoscale Research Letters, los investigadores exploraron el efecto del "dopaje", que es el proceso de añadir impurezas para alterar su conductividad, sobre estos óxidos, que son un muy buen candidato para los SOFC. Los investigadores "doparon" el óxido con un metal llamado Samario (Sm). Luego, depositaron películas delgadas de este óxido dopado en un sustrato de óxido de aluminio (Al2O3) en una dirección específica conocida por mejorar la conductividad. El Dr. Higuchi considera esto como una ventaja, declarando: "Al considerar los dispositivos prácticos, las formas de película delgada son más adecuadas que las formas porosas o nanocristalinas".

Luego, el equipo de investigación caracterizó la calidad cristalina y la estructura electrónica de la película de la novela. También compararon la diferencia de conductividad entre esta nueva película y los óxidos cerámicos gruesos comúnmente utilizados en la industria. Sus hallazgos revelaron que la muestra de cerámica exhibía una cristalinidad pobre y tenía una conductividad de protones pobre en comparación con la muestra de película delgada.

Es más, se encontró que la "resistividad" -- o la resistencia al flujo eléctrico -- de la película delgada disminuye con el aumento de la humedad debido a la "conducción de protones" en los óxidos de tipo fluorita, como se explica por el mecanismo de Grotthuss. Una molécula de agua consiste en dos átomos de oxígeno y un átomo de hidrógeno. Las moléculas de agua tienen enlaces entre ellas, llamados "enlaces de hidrógeno". El mecanismo de Grotthuss (o el mecanismo "hop-turn") permite que las moléculas de agua se dividan en iones que aumentan la conductividad, y por lo tanto se mueven de un enlace de hidrógeno a otro. Se descubrió que la nueva película exhibe una conducción protónica superficial en la región de baja temperatura por debajo de los 100°C.

Esta novedosa película, con su alta conductividad a temperatura ambiente, seguramente tendrá varias aplicaciones en el futuro. En lo que respecta a las SOFC, el Dr. Higuchi concluye: "Nuestro estudio sobre las membranas electrolíticas presenta hallazgos radicales que pueden ayudar a reducir la temperatura de funcionamiento de las SOFC, y puede ser un sistema alternativo para fabricar dispositivos más prácticos que utilicen óxidos de tipo fluorita en las SOFC, y abrir nuevas vías para la generación de energía nuclear y térmica en el futuro".

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