Imagen digital de la formación de vías de transferencia de protones en Basno₃ y Batio₃ gracias a altas concentraciones de sustituciones de escandio. Crédito: Universidad de Kyushu / Yoshihiro Yamazaki
A medida que aumenta la demanda de energía global, los investigadores, industrias, gobiernos y partes interesadas están trabajando juntas para desarrollar nuevas formas de satisfacer esa demanda. Esto es especialmente importante ya que abordamos la crisis climática en curso y la transición de los combustibles fósiles.
Un tipo muy prometedor de generación de energía son las celdas de combustible de óxido sólido (SOFCS). A diferencia de las baterías, que liberan energía química almacenada como electricidad, las celdas de combustible convierten el combustible químico directamente en electricidad y continúan haciéndolo mientras se proporcione combustible. Un tipo común de celda de combustible con la que muchas personas están familiarizadas son las celdas de combustible de hidrógeno, que convierten el gas de hidrógeno en energía y agua.
Si bien los SOFC son prometedores debido a su alta eficiencia y su larga vida útil, un inconveniente importante es que requieren operación a altas temperaturas de alrededor de 700-800 ℃. Por lo tanto, la utilidad de estos dispositivos requeriría costosos materiales resistentes al calor.
En investigación publicado En los materiales de la naturaleza, los investigadores de la Universidad de Kyushu informan que han logrado desarrollar un nuevo SOFC con una temperatura de funcionamiento eficiente de 300 ℃. El equipo espera que sus nuevos hallazgos conduzcan al desarrollo de SOFC de bajo costo y baja temperatura y aceleren en gran medida la aplicación práctica de estos dispositivos.
El corazón de un SOFC es el electrolito, una capa de cerámica que transporta partículas cargadas entre dos electrodos. En las celdas de combustible de hidrógeno, el electrolito transporta iones de hidrógeno (también conocidos como protones) para generar energía. Sin embargo, la celda de combustible debe funcionar a temperaturas extremadamente altas para funcionar de manera eficiente.
“Reducir la temperatura de trabajo a 300 ℃ reduciría los costos de los materiales y abriría la puerta a los sistemas a nivel de consumidor”, explica el profesor Yoshihiro Yamazaki de la plataforma de investigación de energía inter/transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu, quien dirigió el estudio. “Sin embargo, ninguna cerámica conocida podría transportar suficientes protones que ayunen en condiciones tan ‘cálidas’. Entonces, nos propusimos romper ese cuello de botella”.
Los electrolitos están compuestos de diferentes combinaciones de átomos dispuestos en una estructura de red de cristal. Es entre estos átomos que viajaría un protón. Los investigadores han explorado diferentes combinaciones de materiales y dopantes químicos, sustancias que pueden alterar las propiedades físicas del material, para mejorar la velocidad a la que los protones viajan a través de electrolitos.
“Pero esto también viene con un desafío”, continúa Yamazaki. “Agregar dopantes químicos puede aumentar el número de protones móviles que pasa a través de un electrolito, pero generalmente obstruye la red de cristal, ralentizando los protones. Buscamos cristales de óxido que podrían albergar muchos protones y dejar que se muevan libremente, un equilibrio que nuestro nuevo estudio finalmente atacó”.
El equipo descubrió que dos compuestos, Bario Stannate (BASNO3) y el titanato de bario (BATIO3), cuando estaban dopados con altas concentraciones de escandio (SC), pudieron lograr la conductividad de protones de referencia SOFC de más de 0.01 s/cm a 300 ℃, un nivel de conductividad comparable a los electrolitos SOFC comunes de hoy en 600-700 ℃.
“El análisis estructural y las simulaciones de dinámica molecular revelaron que los átomos de SC vinculan sus oxígenos circundantes para formar una ‘carretera Sco₆’, a lo largo de la cual los protones viajan con una barrera de migración inusualmente baja. Esta vía es tanto ampliamente y suavemente vibrante, lo que evita la captura de protones que normalmente se asigna a los óxidos fuertemente dopados”, explica Yamazaki. “Los datos de la dinámica de red revelaron además que Basno₃ y Batio₃ son intrínsecamente ‘más suaves’ que los materiales SOFC convencionales, lo que les permite absorber mucho más SC de lo que se suponía anteriormente”.
Los hallazgos anulan la compensación entre el nivel de dopante y el transporte de iones, ofreciendo un camino claro para los SOFC de temperatura intermedia de bajo costo.
“Más allá de las celdas de combustible, el mismo principio se puede aplicar a otras tecnologías, como electrolizadores de baja temperatura, bombas de hidrógeno y reactores que convierten el CO₂ en productos químicos valiosos, multiplicando así el impacto de la descarbonización. Nuestro trabajo transforma una paradoja científica de larga data en una solución práctica, lo que lleva una potencia de hidrógeno asequible cercana a la vida cotidiana”, concluye la vida cotidiana “, concluye el Yamazki.
Más información: mitigando la captura de protones en óxidos de perovskita cúbicos a través de redes octaédricas SCO6, materiales de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41563-025-02311-w
Proporcionado por la Universidad de Kyushu
Cita: Paves de superharril de escandio para celdas de combustible de hidrógeno de baja temperatura (2025, 8 de agosto) Recuperado el 8 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-scandium-superhighway-paves-Temperature-hydrogen.html
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