Nuevos conductores de altos protones con capas inherentemente deficientes de oxígeno abren un futuro sostenible
Los materiales conductores de protones ofrecen una serie de ventajas
En los últimos años, las células de combustible se han convertido en un punto central de la investigación en tecnología ecológica debido a sus capacidades superiores para almacenar y producir energía renovable y combustible limpio. Un tipo típico de pila de combustible que está ganando terreno es la pila de combustible conductora de protones, que está hecha principalmente de materiales por los que los iones de hidrógeno (protones: H+), pueden moverse fácilmente. Los materiales conductores de protones ofrecen una serie de ventajas con respecto a las pilas de combustible de uso común que comprenden conductores de iones de óxido para electrolitos, como una mayor conductividad a temperaturas bajas e intermedias, una vida útil más larga y costos más bajos.
Nuevos conductores de altos protones con capas inherentemente deficientes de oxígeno abren un futuro sostenible
Tokyo Institute of Technology
Sin embargo, sólo se conoce un número limitado de esos materiales y su aplicación a las pilas de combustible en desarrollo se ha mantenido en gran medida a escala de laboratorio. Para lograr realmente una economía energética sostenible, es necesario descubrir nuevos conductores de protones de alta conductividad que puedan permitir la ampliación a bajo costo y eficiente de estas tecnologías.
Los científicos de la Universidad Tecnológica de Tokio y de la ANSTO se propusieron abordar esta necesidad, y en un estudio reciente, identificaron un nuevo material conductor de protones que puede ser un representante de toda una familia de conductores de protones.
El material en cuestión tiene la fórmula química Ba5Er2Al2ZrO13 y está clasificado como "óxido hexagonal relacionado con la perovskita". El profesor Masatomo Yashima, que dirigió el estudio, explica: "La conducción de protones en los óxidos se produce típicamente a través del salto de protones entre los iones de óxido. Por lo tanto, la estructura cristalina y el entorno local en torno a los iones de óxido tienen un enorme impacto en las posibles vías de conducción. Esto explica por qué se ha informado de una alta conductividad de protones sólo en un número limitado de materiales"*.
El Profesor Yashima y su equipo observaron que la estructura del Ba5Er2Al2ZrO13 contiene capas deficientes de oxígeno y su conductividad protónica es mayor que la de los conductores protónicos representativos, que se crean al introducir artificialmente deficiencias de oxígeno en las estructuras cristalinas de ciertos materiales. Se dieron cuenta de que esta deficiencia intrínseca de oxígeno del Ba5Er2Al2ZrO13 podría darle una ventaja notable sobre los conductores de protones convencionales, eliminando un problema importante en ellos: su inestabilidad y la dificultad de sintetizar muestras compositivamente homogéneas.
Realizaron una serie de experimentos para dilucidar los mecanismos subyacentes a esta propiedad. Las investigaciones iniciales mostraron que la conductividad protónica del Ba5Er2Al2ZrO13 es alta a temperaturas intermedias y bajas que son clave para las posibles aplicaciones industriales. En experimentos posteriores, resultó que las moléculas de agua (H2O) en el aire pueden disolverse en las capas deficientes de oxígeno del cristal, donde el oxígeno del agua se separa del hidrógeno para producir H+ móvil. Este H+ entonces "salta a través de los iones de óxido" dentro de las capas deficientes de oxígeno, permitiendo una alta conductividad de protones.
Este fenómeno no se limita a este material en particular. El equipo sintetizó otros materiales con estructuras similares y realizó pruebas preliminares sobre su conductividad eléctrica. Encontraron resultados comparables a los de Ba5Er2Al2ZrO13. El asistente del Dr. Taito Murakami, primer autor del estudio, explica: "Nuestros resultados sugieren que las capas deficientes de oxígeno en los óxidos hexagonales relacionados con la perovskita podrían ser un bloque estructural general que confiere una alta conductividad de protones. Estas capas se pueden encontrar en una serie de óxidos además del Ba5Er2Al2ZrO13".
Este descubrimiento de toda una nueva gama de materiales conductores de protones intrínsecamente altos, y el mecanismo de su conductividad protónica, podría llevar la investigación en este campo a nuevos horizontes. El Dr. James R. Hester de ANSTO, que también participó en el estudio, comenta: "Nuestro trabajo presenta una estrategia potencial para diseñar conductores de protones superiores basados en las capas deficientes de oxígeno de algunos óxidos relacionados con la perovskita".
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