Sensors electroquímics avançats per a la detecció dual d’hidrogen i deuteri 

A causa del continu augment de la demanda energètica mundial durant els últims anys, i amb la perspectiva de seguir creixent al futur, existeixen, des de fa anys, múltiples vies de recerca centrades a millorar i augmentar la generació d’energia. Una de les alternatives als combustibles fòssils i a les energies renovables és l’energia nuclear. Aquesta font energètica pot provenir de dos processos: fissió i fusió, dos processos que inclouen reaccions en les quals intervenen els nuclis dels àtoms.

La fusió nuclear representa una solució prometedora i sostenible per a les creixents demandes energètiques del món, un procés on es busca reproduir a la Terra el sistema de producció d’energia al Sol. Però que també requereix afrontar nombrosos reptes tecnològics per posar-la en marxa. Un dels projectes més ambiciosos actualment al món és el projecte ITER (International Termonuclear Experimental Reactor), en el qual participen diferents països i organitzacions amb l’objectiu de construir un reactor de fusió experimental.

Al Grup d’Electroquímica i Bioanàlisi – EQBA d’IQS, els investigadors del Laboratori d’Electroquímica treballen en diversos projectes relacionats amb les tecnologies de fusió nuclear, utilitzant isòtops d’hidrogen com el deuteri, que és fàcil d’obtenir, i el triti, que s’ha de generar en el mateix reactor de fusió. Un dels reptes principals és, per tant, aconseguir desenvolupar sensors de triti capaços de suportar les extremes condicions de reacció que es produeixen a l’interior de les Tritium Breeding Blankets, on es genera aquest isòtop mitjançant reaccions nuclears.

En aquest context, i seguint la recerca prèvia iniciada pel Dr. Eduard Juhera i pel Dr. Marc Nel·lo en el camp dels sensors electroquímics per a reaccions de fusió, el Dr. Enric Luján Pallarès va defensar a IQS la seva tesi doctoral que duia per títol Sensors electroquímics avançats per a la detecció dual d’hidrogen i deuteri. La tesi va ser realitzada al Laboratori d’Electroquímica d’IQS, dirigida pel Dr. Jordi Abellà Iglesias i pel Dr. Sergi Colominas Fuster, amb l’objectiu de desenvolupar nous sensors electroquímics duals, amb gran estabilitat física i química.

En concret, en aquesta tesi es van optimitzar la síntesi i el sinteritzat dels electròlits ceràmics BaCe_0.6Z_0.3Y_0.1O_3-α i Sr(Ce_0.9Zr_0.1)_0.95Yb_0.05O_3-α, que van ser caracteritzats mitjançant Microscòpia Electrònica d’Escombratge-Espectroscòpia de Dispersió d’Energia (SEM-EDS), Difracció de raigs X (XRD) i Espectroscòpia d’Impedància Electroquímica (EIS). Gràcies a aquestes caracteritzacions, es va aconseguir informació detallada sobre les propietats estructurals i la composició dels electròlits, crucials per a la seva aplicació en dispositius electroquímics, com és el cas dels sensors dels reactors de fusió.

A partir d’aquí, el Dr. Luján va construir sensors tant amperomètrics com potenciomètrics i va estudiar els seus paràmetres analítics. Es van determinar el rang lineal, els temps de resposta i recuperació, la precisió i l’exactitud per avaluar el rendiment dels sensors. Es va prestar especial atenció a les respostes dels sensors a l’hidrogen i al deuteri, per aconseguir una anàlisi comparativa de la seva eficàcia en la detecció i diferenciació entre els isòtops.

Finalment, en aquesta recerca es va modificar la superfície dels sensors amb diversos recobriments, utilitzant pal·ladi, nitrur de bor hexagonal i grafè, per tal de millorar de manera més efectiva la seva capacitat de mesura dels isòtops d’hidrogen. Aquestes modificacions tenien com a objectiu millorar la selectivitat dels sensors, proporcionant lectures més precises de les concentracions dels isòtops, avançant així en el desenvolupament d’eines de diagnòstic fiables per a la tecnologia de fusió nuclear.

Amb la seva tesi doctoral, el Dr. Luján ha aconseguit un important avenç en el desenvolupament de les tecnologies relacionades a la fusió nuclear, aconseguint un sistema eficaç de mesura simultània per a mescles binàries d’hidrogen i deuteri en diverses proporcions isotòpiques, en temps real i en entorns d’elevada temperatura.

Publicacions relacionades

Enric Lujan et al, Electrochemical response of Sr(Ce0.9Zr0.1)0.95Yb0.05O3-δ high-temperature hydrogen sensor, Fusion and Engineering Design, 212, 2025, 114830.

Antonio Hinojo, Enric Lujan et al, ZnO sintering aid effect on proton conductivity of BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-δ electrolyte for hydrogen sensors, Ceramics International, 50, issue 20, Part C, 2024, 40205-40215.

Enric Lujan, et al, Hydrogen and deuterium influence on BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-α electrolyte: Effects on ionic conductivity and on sensing performance, International Journal of Hydrogen Energy, 59, 2024, 1471-1479.

Enric Lujan, Antonio Hinojo et al, High temperature potentiometric hydrogen sensor based on BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-α-ZnO, Sensors and Actuators B: Chemical, 375, 2023, 132952

Aquesta tesi ha rebut ajut a través dels projectes Semolmetfus (RTI208-095045-B-I00) i Ecsenfus (PID2022-143047OB-I00) del Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación. I de l’ajut FI-SUR de l’Agència de Gestió d’Ajudes Universitàries i de Recerca – AGAUR del Departament d’Empresa i Coneixement/Secretaria d’Universitat i Recerca de la Generalitat de Catalunya (2021 FISDU 00136)