⚡ Un avance para las pilas de combustible de baja temperatura
Las pilas de combustible de óxido sólido, a menudo llamadas SOFC, generan energía convirtiendo directamente el combustible químico, como el hidrógeno, en corriente eléctrica. Su ventaja radica en una alta eficiencia y una larga duración, pero normalmente requieren condiciones extremas de 700 a 800 °C. Estas temperaturas imponen el uso de materiales especiales y costosos, lo que hace que la tecnología sea poco accesible para aplicaciones comunes.
Imagen digital de la formación de vías de transferencia de protones en BaSnO3 y BaTiO3 gracias a altas concentraciones de sustituciones de escandio.
Crédito: Kyushu University/Yoshihiro Yamazaki
Un equipo de la Universidad de Kyushu ha publicado recientemente en Nature Materials un descubrimiento importante: una SOFC capaz de funcionar eficazmente a solo 300 °C en lugar de 700 °C. Esta reducción espectacular de la temperatura es posible gracias a la introducción de escandio en compuestos como el estannato de bario y el titanato de bario. Los investigadores han medido una conductividad protónica equivalente a la de los sistemas tradicionales a mayor temperatura, abriendo el camino a diseños más económicos. El mecanismo subyacente, detallado a continuación, se basa en la creación de vías específicas para los protones.
El escandio, integrado en alta concentración, modifica la estructura cristalina de los óxidos para formar redes denominadas "autopistas ScO6". Estos caminos ofrecen un paso amplio y poco resistente a los protones, evitando los bloqueos habituales observados en los materiales fuertemente dopados. Este enfoque resuelve un antiguo dilema donde el aumento del número de protones móviles se hacía en detrimento de su velocidad de desplazamiento.
Funcionar a 300 °C en lugar de 700 °C permite reducir significativamente los costes de materiales y mantenimiento. Los sistemas se vuelven así más adaptados a usos domésticos o industriales múltiples, sin necesitar componentes ultraresistentes al calor. Este avance facilita también la integración en infraestructuras existentes, acelerando el despliegue de soluciones energéticas sostenibles.
Las repercusiones de esta innovación se extienden más allá de las pilas de combustible. Puede aplicarse a electrolizadores de baja temperatura para producir hidrógeno, a bombas para purificarlo, o incluso a reactores que transforman el CO2 en productos valorizables. Así, multiplica las herramientas disponibles para descarbonizar diversos sectores económicos, reforzando la transición hacia una energía más verde.
El movimiento de los protones en los materiales cerámicos
Los protones son partículas cargadas positivamente que se desplazan a través de los electrolitos de las pilas de combustible para generar corriente. En los materiales cerámicos, su trayectoria depende estrechamente de la disposición de los átomos en la red cristalina. Una estructura ordenada con espacios apropiados favorece una conducción rápida, esencial para una producción de energía eficaz.
Cuando se añaden elementos como el escandio, modifican los enlaces entre los átomos de oxígeno, creando caminos dedicados al transporte de protones. Estas vías, a menudo comparadas con autopistas, reducen las barreras energéticas que los protones deben superar para circular. Esto permite una movilidad aumentada incluso a temperaturas moderadas, donde los materiales clásicos se vuelven ineficaces.
La clave reside en el equilibrio entre el número de protones disponibles y la libertad de su movimiento. Demasiadas impurezas pueden saturar la red y ralentizar la conducción, mientras que una cantidad óptima, como con el escandio, optimiza tanto la densidad como la velocidad. Esta comprensión fina de las interacciones atómicas abre la puerta al diseño de nuevos materiales eficaces.
Más allá de las pilas de combustible: otras aplicaciones prometedoras
Los óxidos dopados con escandio que ofrecen una mejor conductividad protónica abren perspectivas para varias tecnologías. En los electrolizadores, por ejemplo, que producen hidrógeno a partir de agua, esta propiedad permite reducir la temperatura de funcionamiento. Esta reducción conduce a una disminución del consumo de energía y de los costes, lo que hace que la producción de hidrógeno verde sea más viable económicamente frente a los procesos clásicos.
Las bombas de hidrógeno, que sirven para separar y purificar este gas, también pueden aprovechar estos materiales. Una conductividad protónica eficaz a baja temperatura permite el diseño de sistemas más compactos y menos voraces en energía. Esto podría ampliar su uso a entornos industriales, e incluso domésticos, y así participar en el auge de una infraestructura de hidrógeno más práctica.
Otro campo de aplicación importante es la conversión de CO2 en productos útiles, como combustibles sintéticos o materias primas químicas. Los reactores que utilizan la conductividad protónica son capaces de catalizar estas reacciones a temperaturas moderadas, lo que limita las necesidades energéticas y las emisiones asociadas. Este método propone valorizar el CO2 en lugar de simplemente almacenarlo, añadiendo un interés económico a los esfuerzos para limitar el cambio climático.
Al afectar a diferentes ámbitos, esta innovación muestra cómo un avance científico puede tener repercusiones positivas en muchos sectores industriales.