Usando métodos computacionales avanzados, los científicos de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto nuevos materiales que podrían acercar el uso comercial generalizado de las pilas de combustible de óxido sólido a la realidad.
Una celda de combustible de óxido sólido es esencialmente un motor que proporciona una forma alternativa de quemar combustibles fósiles o hidrógeno para generar energía. Estas celdas de combustible queman su combustible electroquímicamente en lugar de por combustión, y son más eficientes que cualquier motor de combustión práctico.
Como tecnología de energía alternativa, las celdas de combustible de óxido sólido son una fuente de energía versátil y altamente eficiente que podría desempeñar un papel vital en el futuro de la energía. Las celdas de combustible de óxido sólido podrían usarse en una variedad de aplicaciones, desde servir como energíasuministro de edificios para aumentar la eficiencia del combustible en vehículos.
Sin embargo, las celdas de combustible de óxido sólido son más costosas que las tecnologías de energía convencionales, y eso ha limitado su adopción.
"Mejores catalizadores de cátodos pueden permitir la operación a temperaturas más bajas, lo que puede aumentar la estabilidad y reducir los costos, lo que potencialmente le permite quitar su edificio de la red eléctrica y, en cambio, alimentarlo con una celda de combustible de óxido sólido que funciona con gas natural", dice DaneMorgan, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en UW-Madison. "Si podemos llegar a ese punto con celdas de combustible de óxido sólido, la infraestructura de energía para muchos edificios en el país podría cambiar, y sería una gran transformación a uninfraestructura energética más descentralizada "
Dirigido por Morgan y Ryan Jacobs, un científico del personal del grupo de investigación de Morgan, un equipo de ingenieros de UW-Madison ha aprovechado las técnicas computacionales basadas en la mecánica cuántica para buscar nuevos y prometedores materiales candidatos que podrían permitir que las celdas de combustible de óxido sólido operen a niveles más bajostemperaturas, con mayor eficiencia y vidas más largas.
Su selección computacional de más de 2,000 materiales candidatos de una amplia clase de compuestos llamados perovskitas arrojó una lista de 52 materiales catódicos nuevos potenciales para celdas de combustible de óxido sólido.
Los investigadores publicaron detalles de su avance recientemente en la revista Materiales de energía avanzada .
"Con esta investigación, hemos proporcionado recomendaciones específicas de compuestos prometedores que deberían explorarse más a fondo", dice Morgan, cuyo trabajo es respaldado por la Fuerza Aérea de EE. UU. Y la National Science Foundation. "Algunos de los nuevos materiales de cátodo candidatos que utilizamosidentificado podría ser transformador para celdas de combustible de óxido sólido para reducir costos "
Además de identificar nuevos materiales, el enfoque de los investigadores les permitió codificar los principios de diseño de materiales que previamente se habían basado en la intuición y ofrecer sugerencias para mejorar los materiales existentes.
Por lo general, las celdas de combustible de óxido sólido deben funcionar a temperaturas de alrededor de 800 grados Celsius. Pero operar a estas altas temperaturas significa que los materiales en la celda de combustible se degradan rápidamente y limitan la vida útil del dispositivo. El objetivo, dice Jacobs, es habilitar el combustible de óxido sólidoceldas para operar a una temperatura más baja y frenar esa degradación. Las celdas de combustible con una larga vida útil no necesitarían reemplazos frecuentes, lo que las hace más rentables.
Para lograr este objetivo, los investigadores se propusieron encontrar compuestos estables con alta actividad para catalizar la reacción de reducción de oxígeno, un proceso químico clave para las aplicaciones de energía de celdas de combustible de óxido sólido.
"Si puede encontrar nuevos compuestos que sean estables en las condiciones de operación de la celda de combustible y altamente catalíticamente activos, puede tomar ese material estable y altamente activo y usarlo a una temperatura reducida mientras logra el rendimiento deseado delpila de combustible ", explica Jacobs, quien fue el autor principal del estudio.
Sin embargo, el uso de modelos computacionales para calcular cuantitativamente la actividad catalítica de un compuesto de perovskita es prohibitivamente difícil debido a la alta complejidad de la reacción de reducción de oxígeno.
Para superar este desafío, los investigadores utilizaron un enfoque en el que seleccionaron un parámetro físico que era más sencillo de calcular, y luego demostraron empíricamente que se correlacionaba con la actividad catalítica, sirviendo así como un proxy efectivo de la actividad catalítica. Una vez queestablecieron estas correlaciones con los datos de los experimentos, los investigadores pudieron usar herramientas computacionales de alto rendimiento para seleccionar eficazmente un gran grupo de materiales para una alta actividad catalítica.
Los investigadores de UW-Madison están colaborando con un grupo en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética NETL, que realizó pruebas iniciales en uno de los materiales catódicos candidatos del equipo.
"Esta investigación está en curso, pero las primeras pruebas realizadas por nuestros colaboradores de NETL encontraron que el material era bastante prometedor", dice Morgan.
Morgan dice que este proyecto es un ejemplo del tipo de avances que son ayudados por la Iniciativa de Genoma de Materiales, un esfuerzo nacional continuo que apunta a duplicar la velocidad con la que el país descubre, desarrolla y fabrica nuevos materiales.
"Este proyecto integró correlaciones de experimentos con bases de datos digitales en línea y herramientas computacionales de alto rendimiento para diseñar nuevos materiales de celdas de combustible de óxido sólido, por lo que es exactamente el tipo de cosa que se habilita por la infraestructura y los enfoques que se han desarrollado yimplementado por la Iniciativa Materiales Genoma ", dice Morgan.
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la Fuerza Aérea de los EE. UU. FA9550-08-0052 y FA9550-11-0299 y la National Science Foundation SI2-1148011 y OCI-1053575.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Wisconsin-Madison . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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