Sensores electroquímicos avanzados para la detección dual de hidrógeno y deuterio

A causa del continuo aumento de la demanda energética mundial durante los últimos años y con perspectiva de seguir creciendo, existen, desde hace tiempo, múltiples vías de investigación centradas en mejorar y aumentar la generación de energía. Una de las alternativas a los combustibles fósiles y a las energías renovables es la energía nuclear. Esta fuente de energía puede provenir de dos procesos: fisión y fusión, dos procesos que incluyen reacciones en las cuales intervienen los núcleos de los átomos.

La fusión nuclear representa una solución prometedora y sostenible para las crecientes demandas energéticas del mundo, un proceso donde se busca reproducir en la tierra el sistema de producción de energía en el Sol. Pero que también requiere afrontar numerosos retos tecnológicos para ponerla en marcha. Uno de los proyectos más ambiciosos actualmente en el mundo es el proyecto ITER (International Termonuclear Experimental Reactor), en el cual participan diferentes países y organizaciones, con el objetivo de construir un reactor de fusión experimental.

En el Grupo de Electroquímica y Bioanálisis – EQBA de IQS, los investigadores del Laboratorio de Electroquímica trabajan en diversos proyectos relacionados con las tecnologías de fusión nuclear, utilizando isótopos como el deuterio – que es fácil de obtener – y el tritio – que se tiene que generar en el mismo reactor de fusión. Uno de los retos principales es, por tanto, conseguir desarrollar sensores de tritio, capaces de soportar las extremas condiciones de reacción que se producen en el interior de las Tritium Breeding Blankets, donde se genera este isótopo mediante reacciones nucleares.

En este contexto, y siguiendo la investigación previa iniciada por el Dr. Eduard Juhera y por el Dr. Marc Nel·lo en el campo de los sensores electroquímicos para reacciones de fusión, el Dr. Enric Luján defendió en IQS su tesis doctoral con el título Sensores electroquímicos avanzados para la detección dual de hidrógeno y deuterio. La tesis se realizó en el Laboratorio de Electroquímica de IQS, dirigida por el Dr. Jordi Abellà Iglesias y el Dr. Sergi Colominas Fuster, con el objetivo de desarrollar nuevos sensores electroquímicos duales, con gran estabilidad física y química.

En concreto, en esta tesis se optimizaron la síntesis y el sinterizado de los electrolitos cerámicos BaCe_0.6Z_0.3Y_0.1O_3-α y Sr(Ce_0.9Zr_0.1)_0.95Yb_0.05O_3-α, que fueron caracterizados mediante Microscopia Electrónica de Barrido – Espectroscopia de Dispersión de Energía (SEM-EDS), Difracción de rayos X (XRD) y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS). Gracias a estas caracterizaciones, se consiguió información detallada sobre las propiedades estructurales y la composición de los electrolitos, cruciales para su aplicación en dispositivos electroquímicos, como es el caso de los sensores de los reactores de fusión.

A partir de aquí, el Dr. Luján construyó sensores tanto amperométricos como potenciométricos y estudió sus parámetros analíticos. Se determinó el rango lineal, el tiempo de respuesta y recuperación, la precisión y la exactitud para evaluar el rendimiento de los sensores. Se prestó especial atención a las respuestas de los sensores frente al hidrógeno y al deuterio, para conseguir un análisis comparativo de su eficacia en la detección y diferenciación entre los isótopos.

Finalmente, en esta investigación se modificó la superficie de los sensores con diversos recubrimientos, utilizando paladio, nitruro de boro hexagonal y grafeno, para mejorar de manera más efectiva su capacidad para medir los isótopos de hidrógeno. Estas modificaciones tenían como objetivo mejorar la selectividad de los sensores, proporcionando lecturas más precisas de las concentraciones de los isótopos, avanzando así en el desarrollo de herramientas de diagnóstico fiables para la tecnología de fusión nuclear.

Con su tesis doctoral, el Dr. Luján ha logrado un importante avance en el desarrollo de las tecnologías relacionadas con la fusión nuclear, consiguiendo un sistema eficaz de medida simultánea para mezclas binarias de hidrógeno y deuterio en diversas proporciones isotópicas, en tiempo real y en entornos de elevada temperatura.

Publicaciones relacionadas

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

Esta tesis ha recibido ayuda a través de los proyectos Semolmetfus (RTI208-095045-B-I00) y Ecsenfus (PID2022-143047OB-I00) del Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación. Y de la ayuda FI-SUR de la Agencia de Gestión de Ayudas Universitarias y de Investigación – AGAUR del Departamento de Empresa y Conocimiento / Secretaria de Universidad e Investigación de la Generalitat de Cataluña (2021 FISDU 00136)