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(Noticias de Nanowerk) Muchos de nosotros probablemente estemos muy familiarizados con la forma en que el estrés en las relaciones laborales puede afectar el rendimiento, pero una nueva investigación muestra que los materiales en las celdas de combustible que generan energía pueden ser sensibles al estrés en un nivel completamente diferente.
Investigadores de la Universidad de Kyushu informan que una tensión causada por una reducción de solo un 2 % en la distancia entre los átomos cuando se deposita sobre una superficie da como resultado una enorme reducción del 99,999 % en la velocidad a la que los materiales conducen los iones de hidrógeno, lo que reduce en gran medida el rendimiento. de pilas de combustible de óxido sólido. (Revista de Física: Energía«Evaluación cuantitativa de la tensión de compresión biaxial y su influencia en la conducción y difusión de protones en películas delgadas epitaxiales de zirconato de bario dopadas con itrio»)
El desarrollo de métodos para reducir esta carga ayudará a llevar celdas de combustible de alto rendimiento para la producción de energía limpia a más hogares en el futuro.
Las celdas de combustible pueden generar electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno mientras emiten solo agua como «residuos», y dependen de un electrolito para transportar iones creados por la ruptura de moléculas de hidrógeno u oxígeno de un lado del dispositivo al otro.
Aunque el término electrolito a menudo evoca imágenes de líquidos y bebidas deportivas, también pueden ser sólidos. Para las celdas de combustible, los investigadores están particularmente interesados en electrolitos basados en cerámica y óxidos sólidos (materiales duros hechos de oxígeno y otros átomos) que conducen iones de hidrógeno positivos, también conocidos como protones.
Dichos óxidos sólidos conductores de protones no solo son más duraderos que los líquidos y las membranas poliméricas, sino que también pueden operar en rangos de temperatura intermedia de 300 a 600 °C, que es inferior a sus contrapartes conductoras de iones de oxígeno.
«Una clave para una buena eficiencia es hacer que los protones atraviesen el electrolito lo más rápido posible para que reaccionen con el oxígeno», dice Junji Hyodo, autor del estudio y profesor asistente de investigación en la Plataforma de Investigación de Energía Interdisciplinaria/Transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu (Q -FOSA).
«Sobre el papel, tenemos materiales con excelentes propiedades que deberían dar como resultado un rendimiento excelente cuando se usan en celdas de combustible de óxido sólido, pero el rendimiento real tiende a ser mucho menor».
Ahora los investigadores creen que saben por qué al estudiar lo que sucede cuando el electrolito golpea el electrodo que induce la reacción.
«Las propiedades de los materiales individuales a menudo se miden en un estado en el que están libres de las influencias de las capas circundantes, lo que llamamos masa. Sin embargo, cuando una capa de óxido crece sobre una superficie, sus átomos a menudo tienen que reajustarse para coincidir con las propiedades de la superficie subyacente, lo que genera diferencias de volumen”, explica Hyodo.
Para su estudio, los investigadores se centraron en un óxido prometedor llamado BZY20, que es una combinación de átomos de itrio, bario, circonio y oxígeno. BYZ20 forma un cristal con una estructura común que encaja en un cubo y se repite una y otra vez en la superficie a medida que crece el óxido.
Examinaron muestras de diferentes espesores y encontraron que los átomos en los bordes de este cubo están un 2% más cerca de la interfaz entre el óxido y la superficie que en las capas alejadas de la superficie. Además, esta tensión de compresión reduce la conductividad de protones a casi 1/100.000 de lo que es en muestras a granel.
«Un cambio de tan solo un 2% -de un metro a 98 cm a gran escala- puede sonar insignificante, pero en un dispositivo donde las interacciones tienen lugar a nivel atómico, tiene enormes implicaciones», observa Yoshihiro Yamazaki, profesor del Q – PIT y asesor de estudios.
A medida que se acumulan las capas, esta tensión de compresión disminuye lentamente y el cubo finalmente alcanza su tamaño preferido lejos de la interfaz. Pero si bien la conductividad fuera de la superficie puede ser alta, el daño ya está hecho.
Tener en cuenta esta conductividad reducida al calcular el rendimiento esperado da como resultado valores consistentes con el rendimiento real de la celda de combustible, lo que indica que la tensión probablemente juega un papel en la reducción del rendimiento.
«Aunque tenemos buenos materiales individuales, es fundamental conservar sus propiedades cuando se combinan en un dispositivo. En este caso, ahora sabemos que se necesitan estrategias para reducir la tensión donde el óxido se encuentra con el electrodo», dice Yamazaki.
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