Las celdas de combustible, que generan electricidad a partir de reacciones químicas sin emisiones nocivas, tienen el potencial de alimentar todo, desde automóviles hasta dispositivos electrónicos portátiles, y podrían ser más limpias y más eficientes que los motores de combustión.
Las celdas de combustible de óxido sólido, que dependen de materiales cerámicos de bajo costo, se encuentran entre el tipo de celda de combustible más eficiente y prometedor. Ahora, los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard han encontrado una manera de aprovecharel comportamiento cuántico de estas celdas de combustible para hacerlas aún más eficientes y robustas. Al hacerlo, han observado un nuevo tipo de transición de fase en un material de óxido.
La investigación se describe en la revista Naturaleza .
Las celdas de combustible funcionan como baterías: generan una corriente eléctrica al obligar a los electrones a fluir entre dos electrodos, el ánodo y el cátodo separados por un electrolito. A diferencia de las baterías, las celdas de combustible no necesitan recargarse. Todo lo que requieren es combustible, principalmente en forma de hidrógeno.
Cuando el hidrógeno se alimenta al ánodo, se divide en un protón y un electrón. El electrolito actúa como un gorila en un club exclusivo: bloquea la entrada de electrones y permite el paso de los protones. Los electrones se ven obligados a recorrer el camino largoalrededor, a través de un circuito externo, que crea un flujo de electricidad.
En el otro lado de la celda, el aire se alimenta al cátodo. Cuando los protones atraviesan el electrolito y los electrones pasan a través del circuito, se unen con el oxígeno para producir agua y calor, las únicas emisiones generadas por las celdas de combustible.
Pero las celdas de combustible de óxido sólido de hoy en día tienen un problema importante. Con el tiempo, el combustible reacciona con el electrolito para degradar su eficiencia. Pronto, este protector químico deja pasar los protones y los electrones, provocando que la corriente eléctrica que pasa por el circuito exterior sedebilitarse más y más.
Shriram Ramanathan, Visiting Scholar in Science Science and Mechanical Engineering en SEAS, y su estudiante graduado You Zhou pueden haber encontrado una solución a este problema. La pareja descubrió que al diseñar el electrolito a nivel cuántico, podrían crear unmaterial que se vuelve más robusto cuando se expone al combustible.
"Hemos combinado los campos de la materia cuántica y la química de electrones de una manera que condujo al descubrimiento de un nuevo material de alto rendimiento que puede hacer la transición de fase de un metal a un conductor de iones", dijo Ramanathan, quien actualmente es profesor de ingenieríaen la Universidad de Purdue.
Ramanathan y su equipo utilizaron un nickelate estructurado con perovskita como electrolito. Por sí solo, el nickelate conduce electrones e iones, como protones, convirtiéndolo en un electrolito bastante pésimo. Pero el equipo recubrió la superficie del nickelate con un catalizadory luego lo inyectaron o "doparon" con electrones. Estos electrones se unieron a la capa electrónica del ion de níquel y pasaron el material de un conductor de electrones a un conductor de iones.
"Ahora, los iones pueden moverse muy rápidamente en este material mientras que al mismo tiempo se suprime el flujo de electrones", dijo Zhou. "Este es un fenómeno nuevo y tiene el potencial de mejorar drásticamente el rendimiento de las celdas de combustible".
"La elegancia de este proceso es que ocurre naturalmente cuando se expone a los electrones en el combustible", dijo Ramananthan. "Esta técnica se puede aplicar a otros dispositivos electroquímicos para hacerlo más robusto. Es como el ajedrez, antes solo podíamosjugar con peones y obispos, herramientas que podrían moverse en direcciones limitadas. Ahora, estamos jugando con la reina ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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