Las pilas de combustible de óxido sólido constan de tres partes importantes: un ánodo, un cátodo y un electrolito. Mientras que el oxígeno se incorpora al cátodo, el oxígeno se transporta a través del electrolito hasta el ánodo, donde el oxígeno reacciona con el hidrógeno para formar agua. La pila de combustible es capaz de convertir la energía liberada en el proceso en electricidad. Por esta razón, las pilas de combustible se utilizan cada vez más en el suministro de energía estacionaria y en la industria del automóvil.
Con el fin de reducir la temperatura de funcionamiento de las pilas de combustible de óxido sólido de los 800 °C actuales a los 450 °C a los 600 °C, los científicos de la Universidad Técnica de Viena están investigando materiales alternativos que sean adecuados para servir de cátodos a estas temperaturas más bajas. Markus Kubicek y su equipo han publicado recientemente los resultados de su análisis de materiales en la revista "Journal of Materials Chemistry A".
Las pilas de combustible de óxido sólido se construyen desde los años 80. Ahora los investigadores intentan desarrollar nuevas pilas de combustible que ofrezcan una gran estabilidad a largo plazo y sean más baratas de fabricar. Para ello, es necesario reducir la temperatura de funcionamiento a unos 450 °C a 600 °C. Para el funcionamiento de la pila de combustible de óxido sólido a temperaturas más bajas, especialmente el intercambio de oxígeno bastante lento en el cátodo representa un cuello de botella. Por ello, los investigadores de todo el mundo están buscando formas de desarrollar nuevos materiales de electrodos que puedan incorporar el oxígeno con suficiente rapidez incluso a esas temperaturas más bajas.
Los científicos de la división de investigación "Electroquímica Técnica" llevan años trabajando en los llamados materiales conductores mixtos (MIEC). Los óxidos de esta clase de materiales son especialmente adecuados para los cátodos de las pilas de combustible, ya que pueden conducir tanto iones de oxígeno como electrones a altas temperaturas. Esto funciona principalmente a través de defectos, es decir, desviaciones mínimas de la red cristalina ideal, que se introducen intencionadamente en el material.
"Los defectos más importantes dentro de estos materiales son las vacantes de oxígeno, los electrones y los huecos. Para poder optimizar estos materiales de forma selectiva, es muy importante comprender mejor el papel de estos defectos en la reacción de incorporación de oxígeno", explica Markus Kubicek, director del proyecto de la FWF "Caracterización in situ de películas finas oxidadas durante su crecimiento". Los investigadores lo han conseguido.
Para medir la cinética de la reacción de incorporación de oxígeno, los investigadores utilizan mediciones "in situ PLD", únicas en el mundo. Los materiales de los electrodos se depositan en una cámara de vacío con un láser y se miden directamente después de la deposición aplicando espectroscopia de impedancia. "Dado que incluso las impurezas más pequeñas pueden influir mucho en los resultados de las mediciones, necesitábamos un método de medición que nos permitiera examinar superficies de electrodos prístinas. En este caso lo hemos conseguido por primera vez", explica Christoph Riedl, del grupo de investigación de iónica de estado sólido. "Sólo gracias a nuestro método in situ desarrollado aquí pudimos combinar perfectamente la simulación teórica y los resultados de las mediciones reales", añade.
Los investigadores utilizaron su método de medición para investigar la reacción de intercambio de oxígeno en la superficie de cinco materiales prometedores. "Un aspecto destacado de nuestras mediciones es que por primera vez pudimos observar que la reacción de intercambio de oxígeno parece seguir el mismo mecanismo en materiales muy diferentes", describe Matthäus Siebenhofer. "Un factor decisivo aquí es la disponibilidad de vacantes de oxígeno en la superficie".
Jürgen Fleig, jefe del grupo de trabajo "Solid State Ionics", concluye: "En este estudio hemos podido combinar diversos resultados de investigación y desarrollos experimentales de los últimos años y, por tanto, describir y comprender mucho mejor la reacción más importante en el campo de las pilas de combustible de óxido sólido."
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