Buscan desarrollar dispositivos electroquímicos para disminuir emisiones de dióxido de carbono

Conferencia de José Francisco Gómez García dentro del ciclo Nuevos Profesores de Tiempo Completo de la FQ

Un grupo de trabajo de la Facultad de Química, encabezado por el académico José Francisco Gómez García, busca desarrollar dispositivos con tecnología de electrolitos sólidos, para aprovechar las energías renovables o producir combustibles libres de dióxido de carbono (CO2), a fin de disminuir la huella de carbono en el planeta.

Gómez García apuntó que la importancia de desarrollar tecnología de electrolitos sólidos reside en el beneficio que aportará al mercado energético, el cual, hoy en día, se abastece directa o indirectamente del petróleo en un 80 por ciento. No obstante, adelantó, se espera que en 2080, este mismo porcentaje corresponda a la energía obtenida a través del hidrógeno; “si bien éste no es una fuente de energía, es un vector energético (sustancias o dispositivos que la almacenan) bastante versátil”.

Así lo señaló el integrante del Departamento de Física y Química Teórica de la FQ el 26 de marzo, durante la videoconferencia Optimización de electrolitos sólidos para dispositivos electroquímicos, como parte del ciclo de conferencias de los Nuevos Profesores de Tiempo Completo de la Facultad de Química, organizado por la Secretaría Académica de Investigación y Posgrado de esta entidad.

El académico explicó que los electrolitos sólidos transportan electricidad através de una conducción iónica y ya se encuentran en las baterías de iones o ion-litio empleadas en los celulares; además de celdas de combustible (dispositivos electroquímicos capaces de transformar la energía química en eléctrica); membranas electroquímicas (capaces de separar selectivamente un gas de una mezcla química); sensores de gases (presentes en automóviles u hornos industriales que monitorean la cantidad de oxígeno para hacer más eficiente la combustión); así como en sistemas capaces de hacer electrólisis y termólisis para generar nuevos combustibles. 

José Francisco Gómez añadió que el hidrógeno participa tanto en la generación como en el almacenamiento, distribución y uso en el ciclo de la energía. En un futuro se podría tener una economía energética basada en este compuesto químico, que disminuiría drásticamente las emisiones de CO2 y la huella de carbono en el planeta. 

En la actualidad el mercado del hidrógeno es lucrativo: en 2015, representó un mercado de 115 mil millones de dólares, el cual se podría duplicar para 2030, por ello aseveró que el hidrógeno es un nicho prometedor en cuanto a energía se refiere. 

Gómez García explicó que el interés de su grupo de investigación está centrado en desarrollar electrolitos sólidos, particularmente en conductores de oxígeno en función de ciertas estructuras cristalinas bien definidas, como las fluoritas: “Decidimos utilizarlas porque son los mejores conductores iónicos de oxígeno que hay en el mercado. Queremos hacer este proceso de mimetismo estructural para desarrollar nuevos electrolitos con buena conductividad”, comentó. También han elegido estudiar estructuras tipo pirocloros o weberitas.

Además, analizan conductores de protones que podrían estar relacionados con la generación de energía eléctrica y con la producción de hidrógeno: “nos interesa estudiarlos desde dos estructuras particulares, las perovskitas y los pirofosfatos”.

En el laboratorio a cargo de Gómez García modifican la composición química de estos sistemas iónicos a través de un medio denominado dopaje, en donde se considera la existencia de una estructura bien definida, pero algunas posiciones atómicas con iones definidos se intercambian por iones de otra especie. Así, al conocer la cantidad del agente dopante, indirectamente se conoce la cantidad de vacancias de oxígeno que se han generado en el sistema.

Debido al confinamiento han detenido el trabajo experimental y se han enfocado en el trabajo teórico, utilizando las simulaciones atomísticas a través del programa General Utility Lattice Program (GULP), para calcular, por medio de potenciales clásicos semiempíricos, propiedades físicas de los sistemas como una optimización de estructura cristalina, la energía de red asociada a dicha estructura y la energía de cada uno de los defectos puntuales que hay en la misma.

“Este trabajo nos llevó a replantearnos el estudio de química de defectos, gracias a la cual somos capaces de calcular la energía de formación de cada uno de los desórdenes de defectos puntuales que se pueden encontrar en un sólido iónico”, indicó.

Esta metodología permite generar perfiles energéticos de migración, en los que, a través de simulaciones, se puede determinar una brecha energética; no obstante, su valor puede cambiar en función de la trayectoria elegida: “A pesar de ser un trabajo artesanal, en el momento en que encontramos una energía de migración similar a los procesos de energía de activación, podemos decir que elucidamos un mecanismo de conducción iónica dentro del cristal”, finalizó.

El académico también enumeró otras líneas de investigación desarrolladas: síntesis de nuevos materiales enfocados a electrolitos sólidos, refinamiento de estructuras cristalinas, determinación de propiedades eléctricas, correlación entre las propiedades eléctricas y la estructura cristalina, así como determinación de energías de red y defectos puntuales.

Khalid Hernández Páez

Yazmín Ramírez Venancio

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