Un avance en celdas de combustible podría revolucionar el suministro energético de centros de datos

El crecimiento acelerado de los centros de datos en los Estados Unidos ha comenzado a generar una presión significativa sobre el suministro eléctrico del país. Estas instalaciones requieren enormes cantidades de energía no solo para operar sus equipos informáticos, sino también para mantenerlos refrigerados. Según el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, se estima que los centros de datos podrían representar hasta el 9% de la generación eléctrica anual de EE.UU. para el año 2030, en comparación con el 4% de la demanda total de electricidad en 2023.

Ante este panorama, un equipo de investigadores liderado por Gang Wu, profesor en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, desarrolló un nuevo enfoque que podría mejorar las celdas de combustible a baja temperatura y expandir su uso como una fuente alternativa de electricidad.

Este equipo de investigación también incluyó científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, de la Universidad del Nordeste y de la Universidad de Pittsburgh. Los resultados de su trabajo fueron publicados el 6 de agosto de 2026 en la revista Nature Nanotechnology.

"Si un centro de datos puede suministrar su propia electricidad utilizando una celda de combustible, podría convertir directamente el hidrógeno y otros combustibles en electricidad, reduciendo la carga sobre la red eléctrica", explicó Wu.

Mejorando la eficiencia y durabilidad de las celdas de combustible

Las celdas de combustible producen electricidad mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno, generando también agua y calor. Los catalizadores ayudan a acelerar esta reacción, limitando las pérdidas de energía y favoreciendo un rendimiento más robusto y una vida útil más prolongada. Sin embargo, diseñar el catalizador adecuado sigue siendo un desafío importante.

Los catalizadores de celdas de combustible existentes aún enfrentan dificultades para proporcionar la combinación de actividad y durabilidad necesaria para cumplir con los objetivos de rendimiento. El platino se considera uno de los materiales catalizadores más efectivos, pero también es un metal precioso, lo que lleva a los investigadores a querer utilizar la menor cantidad posible sin comprometer la efectividad durante la conversión y el almacenamiento de energía.

Una forma de maximizar el uso de una pequeña cantidad de platino es convertirlo en nanopartículas. Al romper el platino en partículas extremadamente pequeñas, se aumenta drásticamente la cantidad de superficie expuesta para las reacciones químicas, permitiendo utilizar cantidades muy pequeñas del metal, típicamente menos de un cuarto de miligramo por centímetro cuadrado.

No obstante, las nanopartículas de platino pueden cambiar durante el funcionamiento de la celda de combustible, disolviéndose, moviéndose a diferentes ubicaciones y creciendo, lo que provoca un deterioro gradual del rendimiento.

Desafíos persistentes con los catalizadores de platino

Recientemente, los catalizadores intermetálicos de platino han surgido como una alternativa prometedora a las aleaciones de platino convencionales, ya que pueden ofrecer una mejor actividad y estabilidad. Sin embargo, su producción implica un compromiso difícil: para mantener las nanopartículas pequeñas, distribuidas uniformemente y eficientes en su uso de platino, los investigadores generalmente recocen los materiales a temperaturas inferiores a 700 °C. Estas temperaturas suelen ser demasiado bajas para activar completamente la transición de un arreglo atómico desordenado a uno altamente ordenado, lo cual es crucial para maximizar tanto la actividad como la durabilidad de los catalizadores intermetálicos.

Para superar esta limitación, Wu y su equipo desarrollaron una nueva estructura de carbono diseñada específicamente. Este material consiste en esferas de carbono huecas y porosas que contienen nano-canales radiales ordenados, junto con un espacio poroso y una superficie significativa.

Esta estructura permite que un gran número de nanopartículas intermetálicas de platino-cobalto permanezcan densamente empaquetadas y distribuidas uniformemente. También posibilita formar la estructura intermetálica ordenada deseada a temperaturas mucho más altas sin que las nanopartículas se aglomeren.

De esta forma, los investigadores lograron abordar un compromiso difícil entre alcanzar una estructura atómica altamente ordenada y mantener una distribución uniforme de partículas de catalizador muy pequeñas.

"Nuestra estrategia consiste en utilizar esta nueva nanostructura de carbono para sintetizar nanopartículas intermetálicas de platino-cobalto que pueden reducir el contenido de metales preciosos y mejorar la actividad y estabilidad", afirmó Wu.

Canales de carbono que prolongan la vida del platino

Las partículas de catalizador más grandes pueden mejorar la estabilidad, pero a menudo a expensas de la actividad. Por otro lado, otros enfoques que priorizan la actividad pueden sacrificar la estabilidad a largo plazo. El equipo de Wu buscó lograr ambos objetivos creando un soporte de carbono nanostructurado con pequeños canales dispuestos en un patrón radial, controlando cuidadosamente el tamaño y volumen de los poros.

En las pruebas, el material mantuvo el 85% de su rendimiento después de 150,000 ciclos de voltaje severos, lo que podría corresponder a aproximadamente 25,000 horas de operación. Su combinación de poros más grandes, tamaños de poro cuidadosamente organizados y alta superficie ayudó al catalizador a superar el habitual compromiso entre actividad y estabilidad.

"Gracias a este soporte especial de carbono nanostructurado, pudimos calentar el catalizador de platino-cobalto a 1000 °C, lo que es lo suficientemente alto como para formar una estructura muy ordenada, mientras mantenemos las nanopartículas más pequeñas de 5 nanómetros y bien distribuidas, incluso con un alto contenido de platino en los catalizadores", explicó Wu.

El calentamiento del catalizador a una temperatura tan alta permitió que sus átomos formaran la estructura ordenada necesaria para un rendimiento más sólido. Al mismo tiempo, el soporte de carbono mantuvo las nanopartículas de platino-cobalto por debajo de 5 nanómetros y evitó que se distribuyeran de manera desigual.

Un camino potencial hacia un mejor suministro de energía con celdas de combustible

La arquitectura del soporte de carbono ofrece beneficios adicionales más allá de estabilizar las nanopartículas. Sus canales abiertos ayudan a que los materiales involucrados en el transporte de iones se distribuyan de manera más uniforme a través del electrodo. También proporcionan caminos más fáciles para que los protones, oxígeno y agua se muevan.

"La estructura de canales abiertos también ayuda al material que contiene iones, como un ionómero, a distribuirse uniformemente y facilita el movimiento de protones, oxígeno y agua a través del electrodo", continuó Wu. "Como resultado, las nanopartículas de platino-cobalto integradas en este soporte mostraron un rendimiento de clase mundial y durabilidad a largo plazo. Con el desarrollo adicional y la colaboración con socios de la industria, podremos resolver los problemas restantes de los catalizadores y avanzar significativamente en las tecnologías de celdas de combustible para alimentar nuestro futuro de manera más eficiente y sostenible".

Si el desarrollo futuro resulta exitoso, la tecnología podría mejorar las celdas de combustible para aplicaciones que van desde el transporte hasta la generación de electricidad. En particular, para los centros de datos, las celdas de combustible podrían ofrecer una forma de generar electricidad directamente a partir de hidrógeno u otros combustibles, lo que podría reducir parte de la creciente demanda que pesa sobre la red eléctrica.

Wu ha solicitado una patente sobre la tecnología a través de la Oficina de Gestión de Tecnología de WashU.

La investigación fue financiada por la Universidad de Washington en St. Louis. Las instituciones colaboradoras incluyeron el Laboratorio Nacional Brookhaven, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad del Nordeste y la Universidad de Pittsburgh.