Usando métodos computacionais avançados, Cientistas de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison descobriram novos materiais que poderiam trazer o uso comercial generalizado de células de combustível de óxido sólido para mais perto da realidade.

Uma célula de combustível de óxido sólido é essencialmente um motor que fornece uma maneira alternativa de queimar combustíveis fósseis ou hidrogênio para gerar energia. Essas células de combustível queimam seu combustível eletroquimicamente em vez de por combustão, e são mais eficientes do que qualquer motor de combustão prático.

Como uma tecnologia de energia alternativa, as células de combustível de óxido sólido são versáteis, fonte de energia altamente eficiente que pode desempenhar um papel vital no futuro da energia. As células a combustível de óxido sólido podem ser usadas em uma variedade de aplicações, desde servir como uma fonte de alimentação para edifícios para aumentar a eficiência do combustível em veículos.

Contudo, as células de combustível de óxido sólido são mais caras do que as tecnologias convencionais de energia, e isso tem limitado sua adoção.

"Melhores catalisadores de cátodo podem permitir operação em temperatura mais baixa, que pode aumentar a estabilidade e reduzir custos, potencialmente permitindo que você tire seu prédio da rede elétrica e, em vez disso, alimente-o com uma célula de combustível de óxido sólido operando com gás natural, "diz Dane Morgan, professor de ciência e engenharia de materiais na UW-Madison. "Se pudermos chegar a esse ponto com células a combustível de óxido sólido, a infraestrutura de energia para muitos edifícios no país pode mudar, e seria uma grande transformação para uma infraestrutura de energia mais descentralizada. "

Liderado por Morgan e Ryan Jacobs, um cientista da equipe do grupo de pesquisa de Morgan, uma equipe de engenheiros da UW-Madison utilizou técnicas computacionais baseadas na mecânica quântica para pesquisar novos materiais candidatos promissores que poderiam permitir que as células de combustível de óxido sólido operassem em temperaturas mais baixas, com maior eficiência e vida útil mais longa.

Sua triagem computacional de mais de 2, 000 materiais candidatos de uma ampla classe de compostos chamados perovskitas produziram uma lista de 52 novos materiais catódicos potenciais para células a combustível de óxido sólido.

Os pesquisadores publicaram detalhes de seu avanço recentemente na revista. Materiais de energia avançada .

"Com esta pesquisa, fornecemos recomendações específicas de compostos promissores que devem ser explorados mais a fundo, "diz Morgan, cujo trabalho é apoiado pela Força Aérea dos EUA e pela National Science Foundation. "Alguns dos novos materiais catódicos candidatos que identificamos podem ser transformadores para células de combustível de óxido sólido para redução de custos."

Além de identificar novos materiais, a abordagem dos pesquisadores permitiu-lhes codificar os princípios do design de materiais que anteriormente se baseavam na intuição e oferecer sugestões para melhorar os materiais existentes.

Tipicamente, as células a combustível de óxido sólido devem operar em temperaturas em torno de 800 graus Celsius. Mas operar nessas altas temperaturas significa que os materiais na célula de combustível se degradam rapidamente e limitam a vida útil do dispositivo. O objetivo, diz Jacobs, é permitir que as células de combustível de óxido sólido operem a uma temperatura mais baixa, e retardar essa degradação. As células de combustível com longa vida útil não precisariam de substituições frequentes, tornando-os mais econômicos.

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores começaram a encontrar compostos estáveis ​​com alta atividade para catalisar a reação de redução de oxigênio, um processo químico fundamental para aplicações de energia em células de combustível de óxido sólido.

"Se você puder encontrar novos compostos que sejam estáveis ​​sob as condições de operação da célula de combustível e altamente cataliticamente ativos, você pode pegar aquele estábulo, material altamente ativo e usá-lo em uma temperatura reduzida enquanto ainda atinge o desempenho desejado da célula de combustível, "explica Jacobs, quem foi o autor principal do estudo.

Contudo, usar modelagem computacional para calcular quantitativamente a atividade catalítica de um composto de perovskita é proibitivamente difícil por causa da alta complexidade da reação de redução de oxigênio.

Para superar este desafio, os pesquisadores usaram uma abordagem em que selecionaram um parâmetro físico que era mais simples de calcular, e então mostrou empiricamente que se correlacionava com a atividade catalítica, servindo assim como um proxy eficaz para a atividade catalítica. Uma vez que estabeleceram essas correlações com dados de experimentos, os pesquisadores foram capazes de usar ferramentas computacionais de alto rendimento para examinar com eficácia um grande grupo de materiais quanto a alta atividade catalítica.

Os pesquisadores da UW-Madison estão colaborando com um grupo do National Energy Technology Laboratory (NETL), que conduziu o teste inicial em um dos materiais catódicos candidatos da equipe.

"Esta pesquisa está em andamento, mas os primeiros testes feitos por nossos colaboradores do NETL acharam o material bastante promissor, "Morgan diz.

Morgan diz que este projeto é um exemplo do tipo de avanço auxiliado pela Materials Genome Initiative, um esforço nacional contínuo que visa dobrar a velocidade com que o país descobre, desenvolve e fabrica novos materiais.

"Este projeto integrou correlações de experimentos com bancos de dados digitais online e ferramentas computacionais de alto rendimento para projetar novos materiais de células de combustível de óxido sólido, então é exatamente o tipo de coisa que é possibilitada pela infraestrutura e abordagens que foram desenvolvidas e implementadas pela Materials Genome Initiative, "Morgan diz.