Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han diseñado un innovador material catódico a base de hierro para lograr un rendimiento récord en las pilas de combustible cerámicas protónicas, lo que supone un importante paso en el desarrollo y la comercialización de esta tecnología de energías renovables.
Las pilas de combustible, que utilizan la energía del hidrógeno u otros combustibles para generar electricidad de forma eficiente y limpia, son fuentes respetuosas con el medio ambiente que se han desarrollado en todo el mundo en un esfuerzo por combatir el cambio climático.
Las pilas de combustible cerámicas protónicas (PCFC), una nueva tecnología en este campo, se basan en electrolitos cerámicos conductores de protones y tienen las ventajas de unas bajas emisiones contaminantes, alta eficiencia y la flexibilidad de funcionar bien con hidrógeno y otros gases, como el amoníaco, el biogás y el metano.
En general, se utilizan para la generación de energía distribuida, incluida la producción de energía fuera de la red, pero la comercialización generalizada de las PCFC se ha visto obstaculizada por la falta de materiales de cátodo de alto rendimiento y bajo costo.
En la actualidad, las perovskitas basadas en el cobalto son los materiales catódicos más utilizados porque puede bajar y subir fácilmente su número de oxidación, lo que se traduce en una actividad de reacción de reducción de oxígeno superior, vital para el rendimiento del cátodo.
Sin embargo, estos materiales tienen un costo elevado, causan contaminación en la minería y requieren complejos procedimientos de preparación incompatibles con la producción en masa. Además, son muy demandados en las baterías de iones de litio, que se utilizan en los vehículos eléctricos.
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Estabilidad operativa
Lo ideal es sustituir el cobalto por metales de transición con costos más bajos, pero con una reactividad comparable. El hierro está cerca del cobalto en la tabla periódica, comparte propiedades químicas similares, pero es mucho más barato, aunque los materiales basados en este mineral suelen ser peores catalizadores.
Trabajando en esta dirección, un equipo de investigación dirigido por el profesor Francesco Ciucci, de HKUST, combinó simulaciones, análisis moleculares y experimentos para diseñar nuevas cerámicas de bajo costo que utilizan elementos baratos, como el bario (Ba), hierro (Fe) y circonio (Zr), dando lugar a una PCFC con un rendimiento récord.
El equipo diseñó los materiales del cátodo a partir de principios físico-químicos básicos y de la teoría funcional de la densidad, que identificaron al D-BFZ, el material catódico más prometedor, con una actividad electroquímica excepcional para reaccionar con el oxígeno, y alta densidad de potencia pico, entre las mejores del campo, y una excelente estabilidad operativa.
Además, el D-BFZ puede producirse mediante técnicas de síntesis sencillas y aptas para la producción en masa, lo que supone un gran paso hacia la realización de PCFC comercialmente viables.
«La tecnología PCFC podría ser transformadora y hay muchas oportunidades interesantes para desarrollarla. Seguiremos aprovechando los cálculos de primer principio y los experimentos para mejorar el rendimiento de las PCFC. Si se utilizan de forma reversible, tendrán un enorme impacto en sectores difíciles de descarbonizar, como la siderurgia, la producción de amoníaco y el transporte pesado»
Profesor Francesco Ciucci
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Redacción | Antonio Vilela
