Una perovskita puede ser más rentable que la ceria para la producción de hidrógeno termoquímico impulsada por energía solar , sugiere un nuevo artículo. Xin Qian explora una formulación de perovskita que funciona a una temperatura ligeramente más baja que la ceria en el artículo Propiedades destacadas y rendimiento de CaTi0.5Mn0.5O3 – d para la producción de hidrógeno termoquímico impulsada por energía solar  en una investigación financiada por el Departamento de Energía de EE. UU.

La termoquímica solar funciona en dos pasos para fabricar hidrógeno solar. Ambos pasos requieren altas temperaturas, de hasta 1500 ° C, que se suministran en un reactor solar calentado por haces de luz solar altamente concentrada reflejada desde helióstatos (espejos) hacia un receptor. Dentro del reactor, primero se fuerza un gas y luego el vapor a través de un material poroso a altas temperaturas para separar el hidrógeno.

En el primer paso; oxidación-reducción (redox) un gas inerte como el argón se fuerza a través de un material redox monolítico poroso, generalmente un óxido metálico, por lo que se somete a una reducción térmica para liberar su oxígeno. En el segundo paso; dividiendo el hidrógeno del agua, el vapor es forzado a través del material poroso. El oxígeno del agua vuelve a oxidar el óxido metálico reducido, por lo que ahora se libera el hidrógeno.

Los candidatos para estos materiales redox porosos tienen un interés de investigación cada vez mayor. Inicialmente, se probaron los óxidos de hierro. Pero estos tenían altos problemas de sinterización durante los ciclos repetidos necesarios para la producción continua de hidrógeno. Ceria (CeO2) es actualmente el estado del arte y ya se está comenzando a comercializar para la producción de combustibles solares como jet fuel o hidrógeno, por su comportamiento estable a altas temperaturas.

“Este tipo de comportamiento es muy interesante porque cuando reduce la ceria, liberará oxígeno gradualmente y cuando lo oxida con vapor, se llenará gradualmente, tomará oxígeno del vapor y llenará las vacantes de oxígeno en la estructura. se vuelve a oxidar de nuevo ”, dijo Qian, científico de materiales de la Universidad Northwestern.

“Así que ceria tendrá una cinética muy rápida y estructuras muy estables en muchos ciclos. Sin embargo, el principal problema es que su entalpía de reducción es demasiado alta. Entonces, cuando lo reduce, en realidad necesita temperaturas superiores a 1500 ° C para producir una gran cantidad de combustible. Esta alta temperatura provocará problemas muy graves en el diseño del reactor solar; tendrá muchos problemas materiales “.

Si bien parte de I + D en termoquímica solar se dirige al desarrollo de nuevos materiales para la construcción de reactores solares de alta temperatura capaces de soportar temperaturas tan altas, otros investigadores solares están buscando materiales redox alternativos como las perovskitas, que pueden comportarse como ceria, pero a temperaturas más bajas, por lo que puede producir hidrógeno solar de forma económica.

“Ambos materiales tienen sus ventajas y desventajas”, señaló Qian. “Además de los requisitos de alta temperatura y la baja productividad de combustible de la ceria, otra desventaja es que el cerio es un metal de tierras raras, por lo que su costo será mucho más alto que las perovskitas que son muy baratas, con sus abundantes elementos terrestres”.

“Pero la ventaja de ceria es que el material es muy estable hasta temperaturas muy altas en condiciones extremas. La cinética de esta perovskita no es tan rápida como la de la ceria. Sin embargo, todavía tiene una cinética muy rápida para la liberación de oxígeno, lo que significa que puede realizar un ciclo con un tiempo de ciclo muy corto para producir, por ejemplo, alrededor de tres mililitros de hidrógeno por gramo de óxido en tan solo 30 minutos. Entonces, en términos de productividad del hidrógeno. Hemos alcanzado un tiempo de ciclo muy corto. Es un gran avance. Es más alto. Probablemente sea el más alto entre todos los resultados informados “.

La perovskita Qian evaluada, manganita de calcio dopada con Ti (CaTi0.5Mn0.5O3-δ), no es estequiométrica: sus átomos no están combinados en proporciones exactas de números enteros. Se crea dopando con Ti la perovskita cálcica manganita (CaMnO3-δ).

Él cree que esta perovskita podría servir como alternativa a la ceria utilizada en la producción de hidrógeno termoquímico solar. Las pruebas de laboratorio mostraron un alto rendimiento de hidrógeno de 10 mililitros de hidrógeno por gramo de óxido en un ciclo termoquímico donde el primer paso fue a 1350 ° C, y el segundo paso de reoxidación, para separar el hidrógeno, fue a 1150 ° C.

Pero la búsqueda continúa.

“Nuestro material es bueno, pero no creo que sea el final de la búsqueda de materiales”, señaló. “Tendremos que seguir explorando, para impulsar el límite del rendimiento del material. Necesitamos descubrir un material con entalpía intermedia y entropía lo suficientemente alta para que sea termodinámicamente favorable tanto para la reducción térmica como para las etapas de división del agua. Dado el vasto espacio de composición de las perovskitas, la gente podrá explorar composiciones novedosas, por lo que podríamos anticipar muchos descubrimientos de materiales “.

Como la mayoría de las investigaciones actuales, los científicos de materiales de este equipo colaboraron con un grupo computacional para acelerar el proceso de descubrimiento.

“Mediante el cribado computacional, en realidad, puede deshacerse de muchos materiales que no son interesantes. En realidad, no sabemos qué material tendrá esas propiedades, por lo que si no necesitamos medirlos todos, nos ahorrará mucho tiempo. ”, Dijo Qian.

“Por ejemplo, si sé que quiero que un material tenga una entalpía de reducción en el rango de entre 200 y 300, porque para este tipo de materiales sabemos que la termodinámica redox del material gobierna realmente la capacidad de producción de combustible, si es que calculamos una lista de todos los materiales que tienen la entalpía de respuesta en este rango, entonces no necesitamos medirlos todos “.

Pero para esta perovskita, habiendo cuantificado sus propiedades; su estabilidad, estructura cristalina, transición de fase, dinámica de reducción y tasa de producción de combustible; el siguiente paso será ver qué tan rápido pueden acelerar la tasa de producción de hidrógeno.

“Quizás nuestro próximo paso sea ver cómo se pueden ajustar esas propiedades para tener un mejor rendimiento del material”, comentó. “Por ejemplo, queremos saber si está limitado por la difusión de oxígeno o la reacción superficial del oxígeno en la superficie. Con arquitecturas de muestra altamente porosas, es probable que la reacción se vea limitada por el paso de reacción de la superficie, entonces es posible aplicar algún catalizador para mejorar su tasa de reducción para producir más combustible dentro de un cierto tiempo de ciclo “.