Uma alternativa promissora às usinas convencionais, as células a combustível de óxido sólido usam métodos eletroquímicos que podem gerar energia de forma mais eficiente do que os geradores baseados em combustão existentes. Mas as células de combustível tendem a se degradar muito rapidamente, consumindo quaisquer ganhos de eficiência por meio do aumento de custos.

Agora, em um avanço que pode ajudar a liderar o caminho para dispositivos de energia verde de vida mais longa, engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison revelaram novos insights sobre as reações químicas que alimentam as células de combustível.

"As células de combustível são tecnologias empolgantes com capacidades potencialmente disruptivas, "diz Dane Morgan, um professor de ciência de materiais e engenharia da UW – Madison que liderou a pesquisa. "Mas os problemas de degradação têm sido um grande obstáculo para o mercado consumidor."

Ele e seus colaboradores descreveram suas descobertas recentemente no jornal Nature Communications .

Uma razão pela qual as células de combustível se degradam é que os dispositivos devem operar em temperaturas extremamente altas - superiores a 1, 500 graus Fahrenheit - para conduzir as reações químicas que criam eletricidade.

As células de combustível combinam oxigênio com uma fonte de combustível externa, um processo semelhante à transformação produtora de calor e luz que ocorre no fogo. Ainda assim, as células de combustível realizam essas reações químicas sem queimar. É por isso que as células de combustível podem gerar energia com muito mais eficiência do que a combustão.

Em vez de, as células de combustível funcionam como baterias, consistindo em dois eletrodos separados por um eletrólito, que é um material que transporta íons. Um dos eletrodos divide o gás oxigênio do ar em átomos individuais, que pode então ser transportado e combinado com combustível. Mais importante, a divisão do oxigênio libera elétrons que podem se mover através de um circuito como corrente para alimentar casas ou dispositivos. Essa divisão do oxigênio ocorre em um componente chamado cátodo.

Mas o gás oxigênio é bastante estável e, portanto, relutante em se dividir. E os esforços para conduzir as reações de forma eficiente em temperaturas mais baixas com materiais compatíveis têm sido desafiadores, em parte porque os pesquisadores realmente não conhecem os detalhes da escala atômica das reações químicas que ocorrem no cátodo.

"Anteriormente, os pesquisadores realmente não entendiam quais são as etapas limitantes da taxa de como o oxigênio chega à superfície, divide e entra em um material, "diz Yipeng Cao, o aluno líder do estudo.

Para que o oxigênio entre no cátodo, a molécula do gás deve se dividir em dois átomos. Então, cada átomo deve encontrar uma estrutura chamada vacância, que é uma pequena lacuna molecular na superfície do material que permite a entrada do oxigênio. Compreender este processo é difícil porque acontece nas camadas atômicas superiores do cátodo, cuja química pode ser bastante diferente da massa do material.

"Medir a composição e a química de vacância nessas duas camadas superiores é extremamente desafiador, "diz Morgan.

É por isso que ele e seus colegas se voltaram para as simulações de computador. Como especialistas líderes em modelagem molecular, eles combinaram a teoria do funcional da densidade e a modelagem cinética para obter uma visão em nível atômico das reações que ocorrem nas duas camadas superiores do cátodo.

A equipe determinou que a divisão não é a etapa limitante da taxa no material estudado. Eles aprenderam que o que limita a eficiência das células de combustível é a maneira como os átomos de oxigênio encontram e entram em espaços vazios na superfície.

Material com mais vagas, Portanto, poderia tornar as células de combustível muito mais eficientes.

"Isso poderia permitir o design de materiais de uma forma que era muito difícil de fazer antes, "diz Morgan.

Os pesquisadores se concentraram em um material específico, um composto modelo para muitos cátodos de células de combustível comuns, chamado cobaltato de estrôncio de lantânio. Eles estão planejando expandir a análise para incluir outros materiais em breve.

As descobertas podem ter impacto além das células de combustível, também. Os materiais que trocam oxigênio com o meio ambiente têm inúmeras aplicações, inclusive na divisão da água, CO ₂ redução, separação de gás, e componentes eletrônicos chamados memristors.

"Acho que temos um controle muito melhor sobre como controlar o processo de troca de oxigênio, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."