El hidrógeno es un portador de energía sostenible. El hidrógeno 'verde', producido con energía renovable, puede utilizarse como almacenamiento de energía y combustible. Para hacer su producción y uso más eficientes, duraderos y económicos, se requieren nuevos materiales. Las membranas que se utilizan en pilas de combustible y electrolizadores son en gran medida responsables de la eficiencia de estos dispositivos. Estas membranas a menudo se fabrican con cerámicas especiales.
Todavía no se comprende completamente cómo el comportamiento de los iones de hidrógeno, o protones, en las membranas de cerámica está relacionado con la estructura del material. En un proyecto financiado por el Fondo Nacional Suizo (SNF), los investigadores de Empa dirigidos por Artur Braun, líder del grupo en el laboratorio de cerámica de alto rendimiento, junto con socios internacionales de investigación, quieren abordar esta cuestión.
Braun y su equipo han estado estudiando conductores protónicos cerámicos durante 20 años. Un buen conductor protónico debe cumplir dos requisitos principales: debe poder absorber la mayor cantidad posible de protones, y estos protones deben poder moverse libremente a través del material. Sin embargo, estas dos características a menudo están en conflicto entre sí: optimizar una generalmente empeora la otra.
Terreno accidentado en lugar de camino libre
'Uno puede imaginar la membrana de cerámica como un paisaje atravesado por caminos. Los protones se mueven por estos caminos como automóviles', compara Braun. Cuantos más automóviles circulen por los caminos, más se atasca el tráfico. 'Una autopista de protones de múltiples carriles, por la que las cargas fluyen sin obstáculos en ambas direcciones, es una visión idealizada', explica. Sin embargo, las membranas protónicas actuales se asemejan más a un terreno accidentado que los protones atraviesan con dificultad por senderos estrechos.
A diferencia de los paisajes que conocemos, las redes cristalinas de las membranas de cerámica son dinámicas, es decir, cambiantes. En un trabajo previo, el equipo de Braun demostró que la conductividad protónica en cerámicas bien conducidas no siempre es constante, sino que a veces disminuye y otras veces alcanza valores máximos. 'Es como si las montañas y los valles se igualaran de repente. Los protones obtienen, por así decirlo, un camino libre por un breve momento', explica Braun. Además, el equipo de Empa descubrió que el transporte de protones en conductores cerámicos está estrechamente relacionado con las vibraciones reticulares de la red cristalina, y que los protones integrados 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 protónico, sino en uno más bien malo. El óxido de cerio de lantano (LCO) puede absorber muchos protones pero no los conduce. 'Si un mal conductor protónico se compara con un atasco, en LCO hay un verdadero colapso del tráfico', dice Braun.
Pero esta aparente desventaja ofrece a los investigadores una oportunidad única para investigar los efectos de la estructura del material sobre la conductividad protónica. Además de la elucidación estructural cristalográfica de alta resolución con neutrones en el Instituto Paul Scherrer (PSI), el equipo utiliza nuevos métodos en grandes instalaciones de investigación en Estados Unidos y Japón para medir con precisión las vibraciones reticulares de las redes cristalinas y verificar experimentalmente los modelos teóricos. 'Si entendemos los fundamentos científicos de la conductividad protónica, idealmente podríamos decir cómo hacer que las futuras cerámicas sean mejores conductores de protones, y así permitir membranas más eficientes para pilas de combustible y electrolizadores', explica el físico.
Contacto de prensa:
Dr. Artur Braun
Cerámica de alto rendimiento
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artur.braun@empa.ch