Una nueva vía de protones mejorada con escandio podría revolucionar los sistemas de energía de hidrógeno a baja temperatura.
sciencedaily.com/5 de diciembre de 2025
Universidad de Kyushu
Resumen: Científicos de la Universidad de Kyushu han logrado un avance significativo en la tecnología de pilas de combustible al permitir el transporte eficiente de protones a tan solo 300 °C. Sus materiales de óxido dopado con escandio crean una vía ancha y suave que permite que los protones se muevan rápidamente sin obstruir la red cristalina. Esto resuelve un obstáculo que existía desde hacía décadas en el desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido y podría hacer que la energía del hidrógeno sea mucho más asequible.
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Imagen digital de la formación de vías de transferencia de protones en BaSnO₃ y BaTiO₃ gracias a altas concentraciones de sustituciones de escandio. Crédito: Universidad de Kyushu/Yoshihiro Yamazaki, editado.
Ante el continuo aumento de la demanda mundial de energía, investigadores, líderes de la industria, gobiernos y otras partes interesadas colaboran para explorar nuevas formas de producir energía. Este esfuerzo se ha vuelto aún más urgente a medida que el mundo enfrenta la crisis climática y busca alternativas a los combustibles fósiles.
Una tecnología que está atrayendo mucha atención es la pila de combustible de óxido sólido (SOFC). A diferencia de las baterías, que liberan la energía química almacenada, estas pilas de combustible convierten los combustibles químicos directamente en electricidad y siguen generando energía mientras haya combustible disponible. Muchas personas ya están familiarizadas con las pilas de combustible de hidrógeno, que utilizan gas hidrógeno para producir electricidad y agua.
Por qué las altas temperaturas de funcionamiento suponen un gran desafío
Aunque las SOFC son conocidas por su alta eficiencia y larga vida útil, presentan una seria limitación: requieren temperaturas extremadamente altas, de entre 700 y 800 °C, para funcionar correctamente. Alcanzar y mantener estas temperaturas requiere materiales especializados que resistan el calor intenso, lo que encarece los sistemas.
Investigadores de la Universidad de Kyushu, en un informe publicado en Nature Materials, afirman haber desarrollado una pila de combustible de silicio orgánico (SOFC) que funciona eficientemente a tan solo 300 °C. Según el equipo, este avance podría reducir considerablemente los costes, facilitar la creación de pilas de combustible de silicio orgánico (SOFC) de baja temperatura y acelerar su uso en el mundo real.
El papel clave de los electrolitos en el rendimiento de las pilas de combustible
En el núcleo de cada pila de combustible SOFC se encuentra un componente llamado electrolito, una capa cerámica que transporta partículas cargadas entre los electrodos de la pila de combustible. En las pilas de combustible de hidrógeno, esta capa transporta iones de hidrógeno (protones), lo que permite que la pila genere electricidad. Sin embargo, el electrolito suele necesitar temperaturas extremadamente altas para mantener estos protones en movimiento a la velocidad suficiente para un funcionamiento eficiente.
"Reducir la temperatura de trabajo a 300 °C reduciría drásticamente los costos de material y abriría la puerta a sistemas de consumo", afirma el profesor Yoshihiro Yamazaki, de la Plataforma de Investigación Energética Interdisciplinaria/Transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu, quien dirigió el estudio. "Sin embargo, ninguna cerámica conocida podría transportar suficientes protones a esa velocidad en condiciones tan cálidas. Por lo tanto, nos propusimos superar ese obstáculo".
Solución del problema de los dopantes en redes cristalinas
Los electrolitos se construyen a partir de átomos dispuestos en una red cristalina. Los protones se mueven a través de los espacios entre estos átomos. Los científicos han dedicado años a probar diversos materiales y dopantes químicos (sustancias que modifican las propiedades de un material) con la esperanza de aumentar la velocidad del movimiento de los protones a través de la red.
"Pero esto también supone un desafío", explica Yamazaki. "Añadir dopantes químicos puede aumentar la cantidad de protones móviles que pasan por un electrolito, pero suele obstruir la red cristalina, ralentizando la velocidad de los protones. Buscamos cristales de óxido que pudieran albergar muchos protones y permitirles moverse libremente, un equilibrio que nuestro nuevo estudio finalmente logró".
Un avance a 300 °C utilizando BaSnO3 y BaTiO3 dopados con Sc
El equipo descubrió que dos óxidos, el estannato de bario (BaSnO₃ ) y el titanato de bario (BaTiO₃ ) , al doparse con altos niveles de escandio (Sc), alcanzaron la conductividad protónica objetivo de más de 0,01 S/cm a 300 °C. Esta conductividad es similar a la que alcanzan los electrolitos de las SOFC actuales a 600-700 °C.
El análisis estructural y las simulaciones de dinámica molecular revelaron que los átomos de Sc se unen a los oxígenos circundantes para formar una 'autopista ScO₃ ' , por la que los protones viajan con una barrera de migración inusualmente baja. Esta vía es amplia y presenta una vibración suave, lo que evita el atrapamiento de protones que normalmente afecta a los óxidos altamente dopados, afirma Yamazaki. Los datos de dinámica reticular revelaron además que BaSnO₃ y BaTiO₃ son intrínsecamente más 'suaves' que los materiales SOFC convencionales, lo que les permite absorber mucho más Sc de lo que se suponía.
Abriendo la puerta a pilas de combustible de baja temperatura asequibles
Estos resultados revierten la antigua disyuntiva entre agregar más dopantes y mantener un movimiento rápido de iones, y ofrecen un camino prometedor hacia SOFC asequibles de temperatura intermedia.
Más allá de las pilas de combustible, el mismo principio puede aplicarse a otras tecnologías, como los electrolizadores de baja temperatura, las bombas de hidrógeno y los reactores que convierten el CO₂ en sustancias químicas valiosas, multiplicando así el impacto de la descarbonización. Nuestro trabajo transforma una antigua paradoja científica en una solución práctica, acercando la energía del hidrógeno asequible a la vida cotidiana», concluye Yamazaki.
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Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de Kyushu . Nota: El contenido puede sufrir modificaciones por motivos de estilo y extensión.
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Referencia de la revista:
Kota Tsujikawa, Junji Hyodo, Susumu Fujii, Kazuki Takahashi, Yuto Tomita, Nai Shi, Yasukazu Murakami, Shusuke Kasamatsu, Yoshihiro Yamazaki. "Mitigar el atrapamiento de protones en óxidos de perovskita cúbica a través de redes octaédricas de Sco6" . Materiales de la Naturaleza , 2025; 24 (12): 1949 DOI: 10.1038/s41563-025-02311-w
Universidad de Kyushu. «Una nueva pila de combustible de baja temperatura podría transformar la energía del hidrógeno». ScienceDaily. ScienceDaily, 5 de diciembre de 2025. < www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251204024241.htm > .
