Gran avance en los conductores de iones de óxido de alto rendimiento con rubidio
Los investigadores han descubierto un material que contiene rubidio con una conductividad y estabilidad excepcionales, lo que allana el camino para la próxima generación de pilas de combustible de óxido sólido
El rubidio podría ser la próxima pieza clave en los conductores de iones de óxido. Investigadores del Instituto de Ciencias de Tokio han descubierto un raro conductor de iones óxido que contiene rubidio (Rb), el Rb₅BiMo₄O₁₆, con una conductividad excepcionalmente alta. Identificado mediante análisis computacional y experimentos, su rendimiento superior se debe a la baja energía de activación y a características estructurales como el gran volumen libre y el movimiento tetraédrico. Su estabilidad en diversas condiciones ofrece una dirección prometedora para las pilas de combustible de óxido sólido y las tecnologías de energía limpia.
Los óxidos que contienen Rb, estables y altamente conductores, amplían las posibilidades de los conductores de iones de óxido sostenibles.
Institute of Science Tokyo
Los conductores de iones de óxido permiten el transporte de iones de óxido (O²-) en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que pueden funcionar con diversos combustibles además de hidrógeno, como gas natural y biogás, e incluso ciertos hidrocarburos líquidos. Esta flexibilidad las hace especialmente valiosas durante la transición a una economía del hidrógeno. Aunque las pilas de combustible SOFC tienen un potencial transformador desde el punto de vista de la sostenibilidad energética, su adopción generalizada sigue viéndose dificultada por su coste, durabilidad y rango de temperaturas de funcionamiento. Para superar estos obstáculos es necesario desarrollar mejores conductores de iones de óxido, y los investigadores de todo el mundo no dejan de probar nuevos materiales con diferentes composiciones químicas. ¿Podría ser el rubidio (Rb) la clave de los conductores de iones de óxido de alto rendimiento?
Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo), Japón, dirigido por el profesor Masatomo Yashima del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias, se propuso responder a esta pregunta. Exploraron el potencial sin explotar del Rb como próximo gran avance en la tecnología de los conductores de iones de óxido mediante un planteamiento sistemático y exhaustivo. Sus hallazgos se publicaron en línea en Chemistry of Materials el 2 de febrero de 2025.
Dado que el Rb+ es uno de los cationes más grandes (sólo superado por el ión cesio), se espera que los óxidos cristalinos que contienen Rb tengan una red y unos volúmenes libres mayores, lo que podría dar lugar a una menor energía de activación para la conductividad óxido-ión. Basándose en esta idea, los investigadores realizaron primero una selección computacional de 475 óxidos con Rb mediante cálculos energéticos basados en la valencia de enlace. Descubrieron que los materiales de óxido de tipo palmierita, que tienen una estructura cristalina similar a la del mineral palmierita, presentaban una barrera energética relativamente baja para la migración de iones óxido.
Teniendo en cuenta que varios materiales que contienen bismuto (Bi) y óxidos que contienen molibdeno (Mo) mostraron una elevada conductividad de iones óxido en estudios anteriores, el equipo seleccionó el Rb5BiMo4O16 como candidato prometedor. Para validar su selección, llevaron a cabo una serie de experimentos, incluida la síntesis del material, mediciones de conductividad, pruebas de estabilidad química y eléctrica y análisis detallados de composición y estructura cristalina. También realizaron cálculos teóricos y simulaciones de dinámica molecular ab initio para explorar los mecanismos subyacentes a las propiedades medidas.
Los resultados fueron muy prometedores. Como señala Yashima, "Sorprendentemente, el Rb5BiMo4O16 mostró una elevada conductividad de iones de óxido de 0,14 mS/cm a 300 °C, 29 veces superior a la de la circona estabilizada con itria a 300 °C y comparable a la de los principales conductores de iones de óxido con elementos tetraédricos similares". El equipo de investigación identificó varios factores que explican esta excepcional conductividad de iones de óxido. En primer lugar, los grandes átomos de Rb facilitan una baja energía de activación para la conductividad de iones de óxido. Esta conductividad de iones óxido se ve reforzada por la rotación y disposición de los tetraedros de MoO₄ en la red cristalina. Además, la gran vibración térmica anisótropa de los átomos de oxígeno del material también contribuye a la conductividad de los iones óxido. Por último, la presencia de grandes cationes Bi con un par solitario de electrones también desempeña un papel importante en la disminución de la energía de activación para la migración de iones óxido.
Otro aspecto destacable del Rb5BiMo4O16 es su estabilidad a altas temperaturas en diversas condiciones, como flujo deCO2, flujo de aire húmedo, flujo de hidrógeno húmedo al 5% en nitrógeno, y su estabilidad a unos 21 °C en agua. "El descubrimiento de óxidos que contienen Rb con alta conductividad y estabilidad puede abrir una nueva vía para el desarrollo de conductores de iones de óxido", comenta Yashima. "Esperamos que estos avances den lugar a nuevas aplicaciones y mercados para el Rb, además de contribuir a reducir la temperatura de funcionamiento y el coste de las pilas de combustible de óxido sólido".
Nuevas investigaciones en este campo podrían allanar el camino hacia mejores conductores de iones de óxido en aplicaciones energéticas centradas en la sostenibilidad, así como en dispositivos como membranas de oxígeno, sensores de gas y catalizadores.
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