Las pilas de combustible aprovechan el hidrógeno y el oxígeno para crear electricidad proporcionan a los vehículos eléctricos energía limpia además de una mayor autonomía y tiempos de recarga muy cortos. Sin embargo, tienen en los catalizadores que impulsan las reacciones químicas que se producen en su interior uno de sus grandes hándicaps ya que están fabricados de materiales caros y muy degradables. Los ingenieros de la Universidad de Illinois, en Chicago, han aislado las que llaman "partículas secuestrantes" lo que les ha permitido conocer la proporción de materiales exacta de este aditivo para proteger la celda de combustible contra la degradación y la corrosión.
Las pilas de combustible han sido objeto de múltiples investigaciones desde hace mucho tiempo con el objetivo de convertirse en una alternativa a las baterías electroquímicas, sobre todo en los sectores del transporte de personas y mercancías pesadas. La tecnología se basa en reacciones químicas que crean energía aprovechando elementos tan abundantes como el oxígeno y el hidrógeno, pero que precisan el impulso de los catalizadores. Sin embargo, estos componentes clave están hechos de materiales que son demasiado caros, como el platino, o que se degradan demasiado rápido para ser prácticos.
Por eso, es necesario encontrar un catalizador adecuado, práctico y rentable para que estos dispositivos sean técnicamente viables y económicamente rentables. Según el artículo publicado en la revista Nature Energy, los ingenieros de la Universidad de Illinois han desarrollado un material que puede ser la solución a este problema ya que es capaz de producir sistemas de celdas de combustible duraderos y a un precio competitivo en comparación con las baterías de litio actuales que se usan en los vehículos eléctricos.
El equipo, dirigido por Reza Shahbazian-Yassar, profesor de ingeniería mecánica e industrial en la Facultad de Ingeniería de la universidad, descubrió un material que añadido al catalizador del dispositivo puede producir una celda de combustible de hierro-nitrógeno-carbono económica y duradera.
Para encontrarlo, el equipo recurrió a la microscopía electrónica, capaz de capturar imágenes muy detalladas, a resolución atómica, de los materiales en una amplia variedad de condiciones de servicio, explica Shahbazian-Yassar. Las imágenes de alta resolución de las estructuras atómicas permitieron al equipo definir "los parámetros estructurales necesarios para que el aditivo funcione".
"A través de nuestras investigaciones, aprendimos lo que estaba sucediendo en la estructura atómica de los aditivos y pudimos identificar el tamaño y las dimensiones de las nanopartículas secuestrantes, es decir la proporción de tantalio y óxido de titanio específicas lo que condujo a una comprensión del estado correcto de la aleación de solución sólida necesaria para que el aditivo protegiera la celda de combustible contra la corrosión y la degradación".
En última instancia, los investigadores descubrieron que la mejor opción para esta protección es una solución sólida de tantalio y óxido de titanio, en proporción 6 a 4 formada por nanopartículas de unos cinco nanómetros de tamaño. "La proporción es la clave para lograr las propiedades de eliminación de radicales de las nanopartículas y la solución de estado sólido ayudó a mantener la estructura del medio ambiente", explica Shahbazian-Yassar en el comunicado de prensa.
El material actúa por tanto como un "depurador" que encuentra y desactiva los radicales libres, partículas inestables como átomos, moléculas o iones de peróxido de hidrógeno, que desestabilizan la celda de combustible. Una vez que solidificaron los parámetros para el material, los investigadores lo agregaron a las reacciones de los sistemas de celdas de combustible. El resultado fue que el uso de la partícula suprimió el rendimiento de peróxido de hidrógeno a menos del 2 %, sobre una reducción del 51 % que provocan los catalizadores sin el material.
Shahbazian-Yassar asegura que este hallazgo acerca a los científicos "a hacer realidad los vehículos impulsados por celdas de combustible". Una alternativa interesante a las baterías ya que ofrece mayor densidad energética que estas y por lo tanto mayores autonomías.
Cuanto más grande es un vehículo, y cuanto más tiempo se requiere para cargar la batería, mayor es la interrupción de sus operaciones, y es ahí donde el hidrógeno tiene ventaja. El rendimiento técnico de los vehículos eléctricos de baterías se ve socavado cuando se trata de vehículos pesados. Las pilas de combustible ofrecen una densidad de almacenamiento de energía mucho mayor, una mayor autonomía de conducción, un peso reducido y un tiempo de recarga mucho más corto.
Mientras que las baterías de litio pueden alcanzar autonomías entre 150 y 500 kilómetros con cada carga, las celdas de combustible pueden llegar hasta entre 650 y 800 kilómetros y recuperar esta autonomía en tan solo cinco minutos puesto que sus tiempos de repostaje son similares a los de un tanque de combustible.