Investigadores y alumnos del Instituto de Investigaciones en Materiales, de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), crearon nuevos materiales electrocerámicos que ayudarán a mejorar la generación de electricidad con hidrógeno y oxígeno; un proceso de energías limpias que concentra mucho interés en el mundo.

Al usar los nuevos materiales electrocerámicos el resultado es mejorar la obtención de energía eléctrica y vapor de agua, en vez de gases contaminantes que provocan el efecto invernadero, como los provenientes de la quema de energéticos fósiles, explicó José Álvaro Chávez Carvayar, investigador del Instituto de Investigación en Materiales y uno de los líderes del proyecto.

Con el uso de nanotecnología, este grupo de investigadores y alumnos del IIM, de la UNAM, logran hacer más eficientes insumos para elaborar partes esenciales de celdas de combustible de óxidos sólidos, a fin de generar electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno, y promover el uso de energías renovables.

Reactores electroquímicos.

Las celdas son reactores electroquímicos que carecen de procesos de combustión. Al usar esos elementos el resultado es la obtención de energía eléctrica y vapor.

En su investigación, los científicos mejoran las partes fundamentales de estos dispositivos semejantes a una batería, los cuales constan básicamente de dos electrodos: un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito sólido denso.

El combustible se suministra al ánodo donde ocurre una reacción de oxidación y libera electrones al circuito externo. En tanto, el oxidante se provee al cátodo, donde llegan los electrones del circuito externo y ocurre la reacción de reducción. En medio de ambos está el electrolito sólido, un aislante electrónico que permite el transporte de iones de oxígeno entre ambos electrodos.

Chávez Carvayar y sus colaboradores investigan en el laboratorio la estructura y propiedades de estos tres componentes para hacerlos más eficientes; como resultado lograron electrocerámicos resistentes a altas temperaturas, con similares coeficientes de expansión térmica y porosos para el ánodo y el cátodo.

Los integrantes del equipo universitario también sintetizaron electrolitos más densos y con una conductividad iónica mejorada, con el propósito de reducir la temperatura de operación de estos dispositivos.

“En términos generales, los materiales cerámicos son materiales inorgánicos conformados por enlaces de tipo iónico y covalente, los cuales les inducen sus propiedades características como son una baja ductilidad, una baja dureza y puntos de fusión altos”, detalló el profesor José Álvaro Chávez Carvayar.

Mientras las cerámicas tradicionales se utilizan para hacer vajillas, refractarios y azulejos, existen otras cerámicas de alta tecnología con propiedades físicas y químicas excepcionales; las cuales se han desarrollado en las últimas décadas.

Entre las aplicaciones específicas de las cerámicas de alta tecnología están: productos resistentes al calor, cermets (combinación de metales y cerámicos), partes automotrices, además de componentes eléctricos y electrónicos, como los que se usan en diversos dispositivos de computadoras y teléfonos celulares.

En cuanto a los electrocerámicos, es posible indicar que presentan propiedades de transporte (o conductoras) en un amplio intervalo de valores, pues van desde aislantes semiconductores hasta superconductores. Además, si son nanoestructurados tendrán, en general, propiedades superiores. Estos materiales son los que se utilizan para elaborar las partes básicas de las celdas de combustible de óxidos sólidos.

Para obtener los que conformarán el ánodo, el cátodo y el electrolito. En el proceso, los especialistas emplean diversos métodos de síntesis, entre ellos el proceso Pechini (una variante del método sol-gel), combustión, rocío pirolítico ultrasónico, combustión y sonosíntesis, entre otros.

Posteriormente se les aplican diferentes procesos y tratamientos térmicos para brindarles la conductividad, dureza y porosidad apropiada a cada componente de la celda.

Actualmente, Chávez Carvayar y su equipo tienen desarrollada en el laboratorio 80 por ciento de una monocelda de combustible de óxidos sólidos y al concluirla iniciarán el trámite de la patente.

Electricidad sin combustión.

Una celda de combustible (fuel cell) es un dispositivo electroquímico que genera electricidad y calor combinando hidrógeno y oxígeno sin ninguna combustión. La electricidad generada se puede emplear para hacer funcionar un motor eléctrico en un automóvil o autobús. La reacción oxidación-reducción entre hidrógeno y oxígeno es una reacción simple que ocurre entre una estructura (celda electroquímica elemental) compuesta por 2 electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito (medio de transferencia de iones). La eficiencia generadora de electricidad depende de la estructura y materiales.