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AMTC busca aumentar la eficiencia de conversión en celdas de combustible usando nanomateriales

La Dra. Melanie Colet, investigadora del Advanced Mining Technology Center y académica del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Universidad de Chile, encabeza un equipo que busca crear nuevos materiales anódicos para celdas de combustible de óxido sólido del tipo carbón-aire, de manera de hacerlas más eficientes en la generación de energía eléctrica.

El trabajo de la Dra. Colet, parte del proyecto Anillo que busca fomentar nuevas aplicaciones del cobre (nanopartículas), tiene como objetivo principal reemplazar los ánodos basados en níquel de las celdas de combustible de óxido sólido por ánodos basados en ceria, molibdeno y cobre. La idea es utilizar combustibles carbonáceos (carbón, biomasa, gas de síntesis, metano u otro hidrocarburo) en lugar de hidrógeno puro, alcanzando altas eficiencias de conversión de energía química a energía eléctrica (cerca del 80% en ciclos combinados), de manera de contar con una tecnología mucho más amigable con el medio ambiente que las plantas termoeléctricas convencionales (que tienen un máximo teórico de 45% de eficiencia). Además, el CO2 producido podría ser capturado y reducido para producir gas de síntesis o hidrocarburos que pueden ser realimentados a la celda.

La Dra. Colet explica la razón por la que los ánodos basados en níquel deben ser reemplazados: “El problema es que al reaccionar en la superficie del níquel, cualquier combustible que contenga carbón tiende a formar estructuras dendríticas dentro del ánodo, las cuales bloquean los sitios activos y la reacción no puede seguir ocurriendo. En otras palabras, el ánodo de níquel se desactiva y la eficiencia de la celda decae rápidamente”. Otro problema es que generalmente los combustibles fósiles tienen trazas de sulfuros, porque el gas o el carbón provienen principalmente de pozos petroleros o minas, respectivamente. Estos sulfuros producen lo que se denomina “envenenamiento” del níquel: se depositan en los sitios activos y reaccionan con ellos, lo que causa que el catalizador se desactive. Dado lo anterior, la Dra. Colet afirma que: “Hay que buscar algún material que, a diferencia del níquel, no se vea afectado por estos dos procesos de desactivación”.

Algunos científicos han observado que los materiales basados en óxidos de cerio, molibdeno y cobre son buenos candidatos para esta aplicación: “El cobre funciona bien como conductor electrónico y catalizador, pero es necesario adicionarle un buen conductor iónico para promover la oxidación eficiente del combustible carbonáceo. Hay quienes ya han estudiado el dopar materiales con cobre, como el óxido de cerio, sin embargo aún se debe mejorar su conductividad eléctrica y actividad catalítica”, comenta la Dra. Colet.

El equipo de la Dra. Colet está sintetizando óxidos mixtos de cerio, molibdeno y cobre, y caracterizando sus propiedades mecánicas y eléctricas para su aplicación en celdas de combustible de óxido sólido del tipo carbón-aire. Además, se están realizando simulaciones computacionales con el fin de diseñar y fabricar un reactor a escala de laboratorio para la generación de energía eléctrica usando los materiales desarrollados.

La Dra. Colet aclara que las nanopartículas de cobre, que son el centro del proyecto Anillo, en su caso se usan solo como materia prima y que el material que se obtiene es una estructura compleja que está compuesta en parte por cobre: “Este metal actúa más bien como un dopante de un óxido complejo y no como nanopartículas aisladas. El cobre es requerido como nanopartícula cuando se hace la síntesis, pero en el material final está formando parte de un compuesto más complejo, un óxido de varios metales”.

Esquema de una celda de combustible de óxido sólido experimental y montaje de laboratorio (©Isaac Díaz Aburto – GIE).



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