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Estudio de caso: Espuma de titanio para electrolizadores de agua PEM
Introducción
Stanford Advanced Materials (SAM), una fuente de confianza de materiales avanzados y metales especiales, apoyó recientemente un proyecto de investigación universitario en Estados Unidos que requería espuma de titanio de alta calidad como parte de un electrolizador de agua PEM(membrana de intercambio de protones).
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El reto
El equipo de investigación se dirigió a SAM con los siguientes requisitos:
- Idoneidad del material para la investigación PEM: la espuma de titanio tenía que demostrar estabilidad cuando se exponía a condiciones de funcionamiento muy ácidas, típicas de los electrolizadores PEM.
- Integridad estructural y porosidad: la espuma tenía que ser mecánicamente estable y, al mismo tiempo, ofrecer redes de poros adecuadas para facilitar la difusión del gas y la dispersión del catalizador.
- Dimensiones de la muestra a escala de investigación: la prueba requería un montaje experimental y el ensayo de una lámina de espuma de titanio (20 cm × 20 cm × 5 mm) en el laboratorio.
La solución
El asesor técnicode SAM recomendó el uso de la espuma de titanio TI1816, un producto de titanio poroso de altísima calidad ampliamente utilizado en aplicaciones energéticas y electroquímicas.
La espuma de titaniode SAM contiene una capa de óxido natural que la protege contra la corrosión en entornos ácidos. La espuma suministrada presentaba una elevada superficie y porosidad abierta, lo que aumentaba la utilización del catalizador y favorecía la liberación eficaz de hidrógeno y oxígeno.
Los resultados
El grupo de investigación consiguió aplicar la espuma de titanio de SAM en sus actividades de I+D relacionadas con los electrolizadores de agua PEM. Los principales resultados fueron:
- Validación de la espuma de titanio como sustrato adecuado - El material demostró su potencial como soporte de electrodos, cumpliendo los requisitos estructurales y de resistencia a la corrosión.
- Mejora de la eficacia de la investigación: las dimensiones precisas permitieron la integración directa en los conjuntos de prueba sin necesidad de mecanizado adicional.
- Posibilitar la I+D en energías limpias - Con la adquisición de espuma de titanio a SAM, el proyecto continuó con su propósito de optimizar la eficiencia del electrolizador y el rendimiento de la producción de hidrógeno.
¿Qué es la espuma de titanio?
La espuma de titanio es un metal ligero tridimensional y poroso que combina las ventajas mecánicas y químicas del titanio con las prestaciones únicas de una estructura de espuma. Se fabrica utilizando métodos como la pulvimetalurgia con técnicas de soporte espacial, la fundición por congelación o la fabricación aditiva (impresión 3D), que permiten controlar la porosidad, el tamaño de los poros y la homogeneidad estructural.
Características estructurales
La espuma de titanio suele tener una porosidad de entre el 40% y el 80%, que puede ajustarse en función de la aplicación deseada. El tamaño de los poros puede ajustarse desde decenas de micras hasta varios milímetros, lo que permite adaptar las características de transporte de masas. A pesar de ser de estructura abierta, la resistencia a la compresión y la rigidez sobre densidad de la espuma de titanio son muy elevadas, lo que la hace resistente bajo carga. La estructura metálica al ser continua proporciona una buena conductancia eléctrica, por lo que es adecuada como soporte de electrodos o colector de corriente.
Características principales
- Resistencia a la corrosión - El revestimiento de TiO₂ del titanio es resistente a la degradación ácida y oxidativa.
- Alta superficie específica - Ofrece amplios sitios de reacción para facilitar las reacciones electroquímicas y la deposición de catalizadores.
- Permeabilidad al gas y a los fluidos - Los poros están conectados de tal forma que la liberación de gas y el transporte de agua pueden ser efectivos.
- Estructura de baja densidad: menor densidad que la del titanio sólido, pero conserva la resistencia necesaria.
- Biocompatibilidad - No es tóxico y es compatible con los sistemas biológicos, por lo que se utiliza igualmente en aplicaciones biomédicas.
Aplicaciones de la espuma de titanio
- Energía y electroquímica: La espuma de titanio sirve como sustrato de ánodos, soporte de catalizadores y colector de corriente en electrolizadores de agua PEM y como campo de flujo y capa de difusión de gases en pilas de combustible. También se utiliza como andamiaje conductor en baterías de iones de litio y de estado sólido.
- Ingeniería biomédica: La espuma de titanio en andamiajes óseos e implantes óseos mejora la osteointegración y en prótesis dentales e implantes quirúrgicos gracias a su biocompatibilidad y tenacidad.
- Procesado químico y catálisis: Se aplica como soporte de catalizadores en reacciones de hidrogenación y oxidación y en filtros y reactores electroquímicos que requieren resistencia a la corrosión.
- Aeroespacial y defensa: La espuma de titanio proporciona elementos estructurales ligeros y resistentes a la corrosión y compuestos de gestión térmica para aplicaciones aeroespaciales.
¿Por qué espuma de titanio y no otro material?
En la selección de materiales de electrodos y sustratos para electrolizadores de agua PEM, hay varias opciones, pero la espuma de titanio presenta ciertas ventajas:
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Material |
Puntos fuertes |
Puntos débiles / Notas |
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Placas de grafito |
Buena conductividad |
Quebradizas, costosas de mecanizar |
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Espumas de acero inoxidable |
Bajo coste, fácil de procesar |
Se corroen en la PEM ácida, necesitan revestimientos |
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Espumas de níquel |
Excelente conductividad |
Inestable en PEM ácido |
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Espuma de titanio |
Resistente a la corrosión, fuerte, conductora |
Ideal para uso prolongado en PEM ácidas |
Para más información y materiales avanzados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).
¿Qué es la espuma de titanio TI1816 de SAM?
La espuma de titanio TI1816 es un material único de titanio poroso suministrado por Stanford Advanced Materials. Se suministra en láminas de dimensiones, espesores e índices de porosidad especiales para satisfacer los requisitos especiales de los clientes, se fabrica con una gran pureza y homogeneidad estructural y es especialmente adecuado para entornos exigentes como la electrólisis, la catálisis y la investigación biomédica.
Conclusión
Gracias a esta colaboración, Stanford Advanced Materials proporcionó espuma de titanio hecha a medida para la investigación en electrolizadores de agua PEM. Desde el cumplimiento de los requisitos estructurales y de resistencia a la corrosión del proyecto hasta el suministro de dimensiones precisas, SAM se consolidó como un colaborador fiable tanto para la industria como para los clientes académicos.
Referencias:
[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K.. (2017). Recubrimientos protectores para placas bipolares de bajo coste y colectores de corriente de electrolizadores de membrana de intercambio de protones para el almacenamiento de energía a gran escala a partir de energías renovables. 10.5772/intechopen.68528.
Chin Trento
