La sinterización por microondas reduce drásticamente el tiempo y energía en celdas de hidrógeno

Las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOECs), una tecnología clave para la producción de hidrógeno verde sin emisiones de carbono, requieren un proceso de "sinterización" a alta temperatura para endurecer los polvos cerámicos. Investigadores del KAIST, liderados por el profesor Kang Taek Lee del Departamento de Ingeniería Mecánica, lograron acortar este proceso de seis horas a solo diez minutos, mientras también redujeron la temperatura requerida de 1,400°C a 1,200°C.

Esta innovación recorta drásticamente tanto el consumo de energía como el tiempo de producción, marcando un avance significativo para la era del hidrógeno verde. El estudio, titulado "Ultra-Fast Microwave-Assisted Volumetric Heating Engineered Defect-Free Ceria/Zirconia Bilayer Electrolytes for Solid Oxide Electrochemical Cells", fue publicado en la revista Advanced Materials.

El núcleo de esta tecnología radica en la sinterización, un proceso en el que los polvos cerámicos se hornean a altas temperaturas para formar una estructura densa y firmemente unida. Una sinterización adecuada es crítica: asegura que los gases no se filtren (ya que la mezcla de hidrógeno y oxígeno podría causar explosiones), que los iones de oxígeno se muevan eficientemente y que los electrodos se adhieran firmemente al electrolito para permitir un flujo de corriente suave. En resumen, la precisión del proceso de sinterización determina directamente el rendimiento y la vida útil de la celda.

Para abordar estos desafíos, el equipo aplicó una técnica de "calentamiento volumétrico" que utiliza microondas para calentar el material de manera uniforme desde el interior hacia afuera. Este enfoque acortó el proceso de sinterización más de treinta veces en comparación con los métodos convencionales. Mientras que la sinterización tradicional requiere un calentamiento prolongado por encima de 1,400°C, el nuevo proceso utiliza microondas para calentar el material interna y uniformemente, logrando una formación estable del electrolito a solo 1,200°C en diez minutos.

En la fabricación convencional, los materiales esenciales—ceria (CeO2) y zirconia (ZrO2)—tienden a mezclarse a temperaturas excesivamente altas, degradando la calidad del material. El nuevo método permite que estos dos materiales se unan firmemente a la temperatura adecuada sin mezclarse, produciendo un electrolito bilayer denso y libre de defectos.

El tiempo total de "procesamiento" incluye el calentamiento, el mantenimiento y el enfriamiento. El proceso de sinterización convencional requería alrededor de 36.5 horas, mientras que la técnica basada en microondas del equipo completa todo el ciclo en solo 70 minutos—más de 30 veces más rápido.

Las celdas electroquímicas resultantes demostraron un rendimiento notable: produjeron 23.7 mL de hidrógeno por minuto a 750°C, mantuvieron una operación estable durante más de 250 horas y exhibieron una excelente durabilidad. Utilizando simulaciones digitales en 3D, el equipo reveló además que el calentamiento ultrarrápido por microondas mejora la densidad del electrolito y suprime el crecimiento anormal de partículas de óxido de níquel (NiO) dentro del electrodo de combustible, mejorando así la eficiencia de producción de hidrógeno.

El profesor Lee afirmó: "Esta investigación introduce un nuevo paradigma de fabricación que permite la producción rápida y eficiente de celdas de electrólisis de óxido sólido de alto rendimiento. En comparación con los procesos convencionales, nuestro enfoque reduce drásticamente tanto el consumo de energía como el tiempo de producción, ofreciendo un fuerte potencial para la comercialización."