Como sugiere el nombre, la mayoría de los dispositivos electrónicos actuales funcionan mediante el movimiento de electrones. Pero los materiales capaces de conducir eficazmente los protones (el núcleo del átomo de hidrógeno) podrían ser clave para una serie de tecnologías importantes para combatir el cambio climático global.
La mayoría de los materiales inorgánicos conductores de protones disponibles en la actualidad requieren temperaturas indeseablemente altas para lograr una conductividad suficientemente alta. Sin embargo, las alternativas de menor temperatura podrían permitir una variedad de tecnologías, como celdas de combustible más eficientes y duraderas para producir electricidad limpia a partir de hidrógeno, electrolizadores para producir combustibles limpios como el hidrógeno para el transporte, baterías de protones de estado sólido e incluso nuevos tipos de dispositivos informáticos basados en efectos ionoelectrónicos.
Para avanzar en el desarrollo de conductores de protones, los ingenieros del MIT han identificado ciertas características de los materiales que dan lugar a una conducción rápida de protones. Utilizando esas características cuantitativamente, el equipo identificó media docena de nuevos candidatos que parecen prometedores como conductores rápidos de protones. Las simulaciones sugieren que estos candidatos tendrán un rendimiento mucho mejor que los materiales existentes, aunque todavía necesitan ser ajustados experimentalmente. Además de descubrir nuevos materiales potenciales, la investigación también proporciona una comprensión más profunda a nivel atómico de cómo funcionan estos materiales.
Los nuevos hallazgos se describen en la revista Ciencias Energéticas y Ambientalesen un artículo de los profesores del MIT Bilge Yildiz y Ju Li, los posdoctorados Pjotrs Zguns y Konstantin Klyukin, y su colaboradora Sossina Haile y sus estudiantes de la Universidad Northwestern. Yildiz es profesora Breene M. Kerr en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
“Los conductores de protones son necesarios en aplicaciones de conversión de energía limpia, como las pilas de combustible, donde utilizamos hidrógeno para producir electricidad sin dióxido de carbono”, explica Yildiz. “Queremos realizar este proceso de manera eficiente y, por lo tanto, necesitamos materiales que puedan transportar protones muy rápido a través de estos dispositivos”.
Los métodos actuales de producción de hidrógeno, como por ejemplo la reformación de metano con vapor, emiten una gran cantidad de dióxido de carbono. “Una forma de eliminarlo es producir hidrógeno electroquímicamente a partir de vapor de agua, y para eso se necesitan muy buenos conductores de protones”, dice Yildiz. La producción de otros productos químicos industriales importantes y combustibles potenciales, como el amoníaco, también se puede llevar a cabo mediante sistemas electroquímicos eficientes que requieren buenos conductores de protones.
Pero la mayoría de los materiales inorgánicos que conducen protones sólo pueden funcionar a temperaturas de entre 200 y 600 grados Celsius (aproximadamente entre 450 y 1.100 grados Fahrenheit), o incluso más altas. Esas temperaturas requieren energía para mantenerse y pueden provocar la degradación de los materiales. “No es deseable alcanzar temperaturas más altas porque eso hace que todo el sistema sea más complicado y la durabilidad del material se convierte en un problema”, afirma Yildiz. “No existe ningún buen conductor de protones inorgánico a temperatura ambiente”. Hoy en día, el único conductor de protones conocido a temperatura ambiente es un material polimérico que no es práctico para aplicaciones en dispositivos informáticos porque no se puede reducir fácilmente a escala nanométrica, afirma.
Para abordar el problema, el equipo primero tuvo que desarrollar una comprensión básica y cuantitativa de cómo funciona exactamente la conducción de protones, tomando una clase de conductores de protones inorgánicos, llamados ácidos sólidos. “Primero hay que entender qué rige la conducción de protones en estos compuestos inorgánicos”, dice. Al observar las configuraciones atómicas de los materiales, los investigadores identificaron un par de características que se relacionan directamente con el potencial de transporte de protones de los materiales.
Como explica Yildiz, la conducción de protones implica primero que un protón “salte de un átomo de oxígeno donante a un oxígeno aceptor. Y luego el entorno tiene que reorganizarse y llevarse el protón aceptado, de modo que pueda saltar a otro aceptor vecino, lo que permite la difusión de protones a larga distancia”. Este proceso ocurre en muchos sólidos inorgánicos, dice. Descubrir cómo funciona esa última parte (cómo se reorganiza la red atómica para quitarle el protón aceptado al átomo donante original) fue una parte clave de esta investigación, dice.
Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para estudiar una clase de materiales llamados ácidos sólidos que se vuelven buenos conductores de protones por encima de los 200 grados Celsius. Esta clase de materiales tiene una subestructura llamada subred de grupos polianiónicos, y estos grupos tienen que rotar y sacar al protón de su sitio original para que pueda transferirse a otros sitios. Los investigadores pudieron identificar los fonones que contribuyen a la flexibilidad de esta subred, que es esencial para la conducción de protones. Luego utilizaron esta información para examinar extensas bases de datos de compuestos teórica y experimentalmente posibles, en busca de mejores materiales conductores de protones.
Como resultado, encontraron compuestos ácidos sólidos que son conductores de protones prometedores y que se han desarrollado y producido para una variedad de aplicaciones diferentes, pero nunca antes estudiados como conductores de protones; estos compuestos resultaron tener las características adecuadas de flexibilidad reticular. Luego, el equipo realizó simulaciones por computadora de cómo se comportarían los materiales específicos que identificaron en su selección inicial a temperaturas relevantes, para confirmar su idoneidad como conductores de protones para celdas de combustible u otros usos. Efectivamente, encontraron seis materiales prometedores, con velocidades de conducción de protones pronosticadas más rápidas que los mejores conductores de protones ácidos sólidos existentes.
“Estas simulaciones tienen sus incertidumbres”, advierte Yildiz. “No quiero decir exactamente cuánto más alta será la conductividad, pero parecen muy prometedoras. Esperemos que esto motive al campo experimental a intentar sintetizarlas en diferentes formas y hacer uso de estos compuestos como conductores de protones”.
Según ella, traducir estos hallazgos teóricos en dispositivos prácticos podría llevar varios años. Las primeras aplicaciones probables serían en celdas electroquímicas para producir combustibles y materias primas químicas como hidrógeno y amoníaco.
El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Wallenberg y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.