Pilas de combustible de hidrógeno con rendimiento récord gracias a este cátodo de hierro

Las celdas de combustible generan electricidad a partir de la energía química del hidrógeno y otros gases como el amoniaco, el biogás, el metano, etc. Se trata de un proceso en general eficiente y limpio que ha experimentado un desarrollo bastante elevado en los últimos años.

Sin embargo, determinados componentes como el cátodo suponen una limitación, pues suelen estar basados en materiales caros, contaminantes y complejos de producir. Es el caso del cobalto, un material que además es altamente demandado para la producción de baterías de iones de litio.

«Los PCFC tendrán un tremendo impacto en sectores difíciles de descarbonizar como la siderurgia, el amoníaco y el transporte pesado»

Cátodo con base de hierro

Con el objetivo de ofrecer una alternativa a este tipo de problema, un grupo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) ha diseñado un innovador material de cátodo con hierro como base.

Además, este cátodo ha sido capaz de lograr un rendimiento récord para las pilas de combustible de cerámica protónica, lo que marca un importante paso adelante en el desarrollo y comercialización de esta prometedora tecnología de energía renovable.

Este tipo de pilas de combustible, las PCFC, se basan en electrolitos cerámicos conductores de protones y tienen la ventaja de producir bajas emisiones contaminantes, proporcionar una alta eficiencia y de trabajar bien no solo con hidrógeno sino también con otros gases como el amoníaco, el biogás y el metano, anteriormente mencionados.

Sin embargo, la penetración generalizada de las pilas PCFC en el mercado se ha visto obstaculizada por la falta de materiales de cátodo de alto rendimiento y bajo coste.

Encontrando el modo de mejorar el rendimiento del hierro

Actualmente, las perovskitas a base de cobalto son los materiales de cátodo más utilizados porque el cobalto puede disminuir y aumentar fácilmente su número de oxidación, lo que da como resultado una actividad de reacción de reducción de oxígeno superior que es vital para el rendimiento del cátodo.

Por las razones ya mencionadas, es importante encontrar un material que sustituya al cobalto y el hierro se encuentra cerca del cobalto en la tabla periódica. No sólo comparte muchas propiedades químicas similares, sino que además mucho más barato.

El problema es que generalmente los materiales a base de hierro son peores catalizadores, lo que conduce a un rendimiento insatisfactorio. Por lo tanto, las composiciones de los materiales deben ajustarse para identificar el material de mejor rendimiento.

Trabajando en esta dirección, el equipo de investigación combinó simulaciones de primer principio, análisis de orbitales moleculares y experimentos para diseñar cerámicas nuevas y económicas que utilizan elementos como el bario, el hierro y el circonio, lo que llevó a un PCFC con un rendimiento récord.

A través de la optimización guiada por computadora, el Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ (D-BFZ) se identificó como el material de cátodo más prometedor. Los experimentos demostraron que este tiene una actividad electroquímica excepcional para reaccionar con oxígeno, logrando una alta densidad de potencia máxima y una excelente estabilidad operativa.

Además, el D-BFZ se puede producir utilizando técnicas de síntesis simples y adecuadas para la producción en masa, lo que es un paso importante hacia la realización de PCFC comercialmente viables.

«La tecnología PCFC podría ser transformadora y hay muchas oportunidades emocionantes para desarrollarla aún más. Continuaremos aprovechando los cálculos y experimentos de primer principio para mejorar el rendimiento de los PCFC», señaló el profesor Ciucci, director del proyecto.

«Si se usan de forma reversible, los PCFC tendrán un tremendo impacto en los sectores difíciles de descarbonizar, como la siderurgia, la producción de amoníaco y el transporte pesado», concluyó.