Conductores mixtos nanoestructurados para nuevos electrodos de alta performance para celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia

Abstract

Uno de los problemas de mayor interés tecnológico que se estudian en el campo de las celdas de combustible cerámicas o de “óxido sólido” (Solid-Oxide Fuel Cells, SOFCs) es la reducción de su temperatura de operación. Esto es deseable para evitar problemas de degradación por choque térmico, reacciones químicas indeseadas en las interfaz [electrolito/electrodo], problemas de estabilidad química de los materiales en atmósfera reductora u oxidante, etc., que ocurren en las SOFCs tradicionales, que trabajan a 900-1000 °C. Estas temperaturas se emplean habitualmente porque la mayoría de los materiales mejor estudiados solamente tienen buenas propiedades de transporte iónico y/o electroquímicas en ese intervalo. Sin embargo, reducir la temperatura de operación al intervalo comprendido entre 500-800 °C permitiría evitar los problemas mencionados y también es muy importante para reducir los costos de estos dispositivos. El problema principal es la interconexión de celdas, ya que los materiales de alta conductividad electrónica que resisten altas temperaturas tanto en atmósfera oxidante como reductora son cerámicos especiales de muy alto costo. En cambio, a temperaturas más bajas podrían emplearse interconectores de aceros resistentes a la alta temperatura, más económicos. Para lograr dispositivos de buena performance a temperaturas inferiores, se estudian nuevos materiales para electrolito, cátodo y ánodo que sean eficientes en esas condiciones. Las SOFCs que operan a temperaturas entre 500 y 800 °C se conocen como “SOFCs de temperatura intermedia” ('Intermediate-temperature SOFCs', IT-SOFCs). En esta Tesis de Maestría se estudió un material de interés para cátodo de IT-SOFCs: la cobaltita de estroncio (SrCoO3-δ). Se trabajó en su nanoestructuración y se analizó la posibilidad de retener, a temperatura ambiente, la fase cúbica de alta temperatura por la reducción del tamaño de cristalita, sin introducir dopantes. Esta fase presenta conductividad mixta, iónica y electrónica, lo que favorece la reacción de electrodo porque aumenta el número de sitios activos. Además, por la alta concentración de vacancias de oxígeno, tienen una alta difusividad de iones O2-, por lo que es prometedora para las aplicaciones deseadas. Se probaron métodos químicos de síntesis por vía húmeda, liquid-mix (también conocido como método de Pechini) y mojado de poros de molde polimérico, que dieron lugar a nanopolvos y nanotubos del compuesto, respectivamente. Se realizaron modificaciones a las rutas elegidas para reducir la temperatura final de síntesis y por lo tanto evitar el crecimiento de los nanocristales. Los materiales obtenidos se caracterizaron por difracción de rayos X de polvos, microscopías electrónicas de barrido y de transmisión y análisis químico por espectroscopía dispersiva en energía.

One of the most important problems studied in the field of ceramic fuel cells (Solid-Oxide Fuel Cells, SOFCs) is the reduction of their operating temperature. This is desirable to avoid problems of degradation by thermal shock, reactions at the [electrolyte/electrode] interfaces, problems of chemical stability of materials in a reducing or oxidizing atmosphere, etc., which occur in traditional SOFCs, which work at 900-1000 °C. These temperatures are commonly used because most of the best-studied materials only have good electrochemical and/or ion transport properties in that range. However, reducing the operating temperature to the range of 500-800 °C would avoid the above-mentioned problems and it is also very important in order to reduce the costs of these devices. The main problem is the interconnection of cells, since materials with high electronic conductivity that resist high temperatures in both oxidizing and reducing atmospheres are very expensive special ceramics. Instead, at lower temperatures, cheaper materials based on high-temperature resistant steels could be used. To achieve good performance devices at lower temperatures, new materials for electrolyte, cathode and anode that are efficient under these conditions are studied. SOFCs operating at temperatures between 500 and 800 °C are known as "Intermediate-temperature SOFCs" (IT-SOFCs). In this Master's Thesis, a material of interest for IT-SOFC cathodes was studied: strontium cobaltite (SrCoO3-δ). We worked on its nanostructuring and studied the possibility of retaining, at room temperature, the high-temperature cubic phase by reducing the crystallite size, without introducing dopants. This phase presents mixed ionic and electronic conductivity, which favors the electrode reaction because it increases the number of active sites. In addition, due to the high concentration of oxygen vacancies, it has a high diffusivity of O2- ions, making it promising for applications. Two wet-chemical synthesis methods were tested, liquid-mix (also known as Pechini's method) and pore-wetting of polymeric membranes, which resulted in nanopowders and nanotubes of the compound, respectively. These synthesis routes were modified in order to reduce the final synthesis temperature and therefore avoid the growth of nanocrystals. The resulting materials were characterized by X-ray powder diffraction, scanning and transmission electron microscopy, and chemical analysis by energy dispersive spectroscopy.