El hidrógeno es un portador de energía sostenible. El hidrógeno 'verde', es decir, producido con energía renovable, puede ser utilizado como almacén de energía y combustible. Para hacer su producción y uso más eficientes, duraderos y rentables, se requieren nuevos materiales. Las membranas utilizadas en pilas de combustible y electrolizadores juegan un papel crucial en la eficiencia de estos dispositivos. Estas membranas se fabrican a menudo con cerámicas especiales.
Cómo exactamente está relacionado el comportamiento de los iones de hidrógeno, los protones, con la estructura material de las membranas de cerámica no se ha comprendido completamente. En un proyecto financiado por el Fondo Nacional Suizo (SNSF), investigadores de Empa liderados por Artur Braun, jefe de grupo en el laboratorio de cerámica de alto rendimiento, junto con socios internacionales de investigación, planean abordar esta cuestión.
Braun y su equipo han trabajado en conductores de protones cerámicos durante 20 años. Los buenos conductores de protones deben cumplir principalmente con dos requisitos: deben poder absorber tantos protones como sea posible y los protones deben poder moverse libremente dentro del material. Sin embargo, estos dos atributos están en contradicción: al optimizar uno, a menudo se deteriora el otro.
El terreno accidentado en lugar del camino libre
'Una membrana cerámica puede imaginarse como un paisaje atravesado por carreteras. Los protones se mueven en estas carreteras como automóviles', compara Braun. Cuantos más autos hay en las carreteras, más tráfico se produce. 'Una autopista de protones de varios carriles, en la que las cargas puedan fluir libremente en ambas direcciones, es un ideal', explica. Sin embargo, las membranas de protones más comunes se asemejan más a un terreno accidentado que los protones atraviesan laboriosamente por caminos estrechos.
A diferencia de los paisajes familiares, las redes cristalinas de las membranas cerámicas son dinámicas, es decir, cambiantes. En un trabajo anterior, el equipo de Braun pudo demostrar que la conductividad de los protones en cerámicas bien conductoras no siempre es constante, sino que a veces disminuye y otras veces alcanza valores máximos. 'Es como si montañas y valles se igualaran de repente. Los protones obtienen casi una vía libre por un corto momento', explica Braun. Además, el equipo de Empa mostró que el transporte de protones en conductores cerámicos está estrechamente vinculado a las vibraciones de la red cristalina, y que los protones incrustados en la red pueden cambiar sus vibraciones.
Las respuestas en la red cristalina
Para comprender mejor este efecto, los investigadores en su proyecto actual no se centran en un buen conductor de protones, sino en uno más deficiente. El óxido de cerio de lantano (LCO) puede absorber muchos protones, pero no los conduce. 'Si un mal conductor de protones se compara con un atasco, en el caso de LCO hay realmente un infarto de tráfico', dice Braun.
Sin embargo, esta aparente desventaja brinda a los investigadores una oportunidad única para investigar el impacto de la estructura del material en la conductividad de los protones. Además de la elucidación estructural cristalográfica de alta resolución con neutrones en el Instituto Paul Scherrer (PSI), el equipo utiliza nuevos métodos en instalaciones de investigación en EE.UU. y Japón para medir con precisión las vibraciones de la red y verificar experimentalmente los modelos teóricos. 'Si comprendemos las bases científicas de la conductividad de protones, idealmente podremos indicar cómo las futuras cerámicas podrían convertirse en mejores conductores de protones, permitiendo así membranas más eficientes para pilas de combustible y electrolizadores', explica el físico.
Contacto:
Dr. Artur Braun
Cerámica de alto rendimiento
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch