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Posted in | Nanomaterials | Nanoenergy

Material de película delgada Aumenta la producción de energía en las células de combustible

Published on June 22, 2010 at 7:57 PM

Un sorprendente MIT laboratorio hallazgo sobre el comportamiento de una hoja delgada de material - menos de una milésima del grosor de un cabello humano - podría llevar a mejores maneras de estudiar el comportamiento de los electrodos y quizás en última instancia, a la mejora de la tasa de producción de energía a partir de un tipo de célula de combustible, según un informe publicado esta semana.

Este diagrama muestra el montaje experimental utilizado por el profesor Yang Shao-Horn y su equipo. Los círculos en el fondo representan pequeños electrodos de película delgada de un material llamado estroncio sustituido lantano cobalto perovskita, o LSC (cuya estructura cristalina está diagramado en la parte superior izquierda). El diagrama muestra la configuración de laboratorio utilizado para medir la actividad catalítica de la LSC. El recorte circular muestra cómo las moléculas de oxígeno (O2) se intercambian en la superficie de LSC. Ilustración de investigador postdoctoral Eva Mutoro

En muchos casos, las capas delgadas de un material - que pueden ser sólo unas pocas moléculas de espesor, presentan propiedades diferentes a partir de bloques sólidos del mismo material. Pero a pesar de que este es un fenómeno que se conoce, la naturaleza de la diferencia del equipo del MIT encontró en el comportamiento de películas delgadas de un mineral llamado perovskita - en este caso, depositados en una capa delgada sobre la superficie de un cristal de óxido de zirconio - "se muy inesperado ", dice Yang Shao-Horn, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales e ingeniería en el MIT, quien dirigió la investigación. El trabajo fue realizado en colaboración con Hans Christen y Michael Biegalski en el Oak Ridge National Laboratory.

En las celdas de combustible, un combustible como el hidrógeno o el metanol reacciona en presencia de un catalizador, liberando su energía química en lugar de ser quemado. Como resultado, pueden producir electricidad a partir de combustible sin emitir gases de efecto invernadero y otros contaminantes, por lo que se considera una alternativa prometedora aproximación para la generación de electricidad. Y a diferencia de las baterías, que deben ser recargadas en un proceso que consume tiempo, una pila de combustible puede ser reabastecido rápidamente.

La principal barrera para lograr una mayor eficiencia en las células de combustible, que se considera una vía prometedora para el suministro de electricidad para el transporte futuro o sistemas estacionarios de energía, es la baja tasa de producción de oxígeno en el cátodo, una de las dos terminales eléctricos en el dispositivo. En pilas de combustible actuales, la tasa de producción de oxígeno es el factor limitante en la potencia de salida del dispositivo. Muchos equipos están buscando formas de mejorar la eficiencia y reducir los costos de los dos tipos principales de células de combustible: de óxido sólido células de combustible (SOFC) y protones de intercambio de células de combustible de membrana (PEMFC). Este trabajo se centra en las posibles mejoras en el cátodo de pilas SOFC, que podría encontrar aplicación en sistemas de gran escala, tales como plantas de energía eléctrica. La nueva investigación sugiere que esta actividad se puede incrementar hasta en un ciento por uno mediante el uso de películas delgadas de compuestos perovskita cierto.

Investigaciones anteriores habían encontrado lo contrario, que las películas delgadas de algunos materiales de perovskita eran cien veces menos reactivo que el material a granel, Shao-Horn dice. Los nuevos resultados se publican en línea en la revista alemana Angewandte Chemie, los autores principales son el ex estudiante de Gerardo la O 'y el investigador postdoctoral Ahn Sung-Jin. El trabajo fue financiado por la NSF, el Departamento de Energía de EE.UU., Oak Ridge National Laboratory y la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología.

Al crear el tipo de películas de alta pureza delgada de material utilizado en este estudio - en este caso, tan delgado como de 20 nanómetros, o millonésimas de un metro - que es posible estudiar los detalles de cómo la superficie del material reacciona en gran parte mayor detalle que ha sido posible en la investigación con los materiales a granel. Esta investigación muestra que única de película fina pueden mejorar las características de la actividad catalítica.

"Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que estas películas delgadas han demostrado que la exposición" el aumento de la actividad, Shao-Horn dice. El equipo continúa la investigación para verificar sus hipótesis sobre las razones de la mayor actividad, y para explorar una familia de materiales que pueden exhibir propiedades similares. "Estamos trabajando en determinar por qué" el nivel de actividad es tan alto, Shao-Horn dice, lo que sugiere que el aumento de la reactividad del material puede ser consecuencia de un estiramiento de la superficie. Esto puede cambiar el contenido de vacantes de oxígeno o de la estructura electrónica del material, las posibilidades que se están examinando en el grupo de Shao-Horn.

Mientras que las células de combustible muchos usan electrodos hechos de metales preciosos como el platino, los electrodos en este experimento están hechos de materiales relativamente abundantes, como el cobalto, el lantano y estroncio, Shao-Horn dice, por lo que debería ser relativamente barato de producir. Además, este material se trabaja a temperaturas mucho menores que los actuales electrodos SOFC, que podría ser una ventaja porque "a temperaturas más bajas, la degradación del material puede ser mucho más reducido", dice. Mientras que las células actuales funcionan a temperaturas de 800 grados centígrados o más, el nuevo enfoque podría dar lugar a materiales que podrían funcionar a 500 grados centígrados, como fue el caso en estas pruebas.

Este trabajo es sólo el primer paso, sin embargo. Shao-Horn hace hincapié en que este es el comienzo de una nueva área de investigación fundamental, y podría conducir a la exploración de toda una familia de compuestos posibles en busca de uno con una combinación óptima de alta actividad catalítica y estabilidad. Este material altamente reactivo podría encontrar un hogar en lugares distintos de pilas de combustible: por ejemplo, en sensores de alta temperatura y en las membranas utilizadas para separar el oxígeno del nitrógeno y otros gases, dice ella.

Last Update: 5. October 2011 11:45

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