Exsolución de nanocatalizadores en electrodos tipo perovskita para celdas sofc simétricas de temperatura intermedia
Actualmente la creciente demanda de energía se satisface principalmente con la combustión de hidrocarburos no-renovables, una tecnología ineficiente que genera grandes cantidades de gases de efecto invernadero. La descarbonización de la matriz energética requiere de una transición hacía tecnologías...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1069/1/1Santaya.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Actualmente la creciente demanda de energía se satisface principalmente con la combustión de hidrocarburos no-renovables, una tecnología ineficiente que genera grandes cantidades de gases de efecto invernadero. La descarbonización de la matriz energética requiere de una transición hacía tecnologías más eficientes y fuentes de energía más limpias, utilizando el hidrógeno como vector de energía. En este nuevo esquema energético, las celdas de combustible (SOFC) y electrolizadores (SOEC) de óxido sólido pueden jugar un rol fundamental en la conversión reversible entre H2+O2↔H2O+energia. Para consolidar esta tecnología se apunta a obtener materiales más estables y tolerantes frente a combustibles ricos en C y en disminuir las temperaturas de operación (TOP) con el objetivo de disminuir los procesos de degradación de los materiales y alargar la vida útil de los dispositivos. En este sentido, los materiales de electrodo tipo óxidos conductores mixtos (iónicos y electrónicos, MIEC), con estructura perovskita son interesantes dado que presentan una excelente estabilidad y tolerancia a impurezas en los combustibles. Para mejorar el rendimiento electroquímico de estos óxidos se suele recurrir a decorar su superficie con nanopartículas electrocatalíticas de manera de promover las reacciones de electrodo. La exsolución es una técnica de decoración superficial que consiste en la segregación controlada de metales que originalmente forman parte de la perovskita, pero que bajo la acción de una atmósfera reductora difunden hacia la superficie formando nanopartículas metálicas sin alterar la estructura perovskita. Las nanopartículas actúan como nanocatalizadores potenciando las reacciones de oxidación del combustible (H2). Por otro lado, si este electrodo “decorado” se somete luego a una atmósfera oxidante (reoxidación) permitiría reacondicionarlo y alargar su vida útil, al tiempo que el electrodo reoxidado puede funcionar como cátodo reduciendo el O2 del aire, siendo posible utilizar un mismo electrodo como ánodo y como cátodo en un diseño de SOFC simétrico.
En esta tesis nos centramos en el estudio de una familia de materiales de electrodo de composición general SrTi0.3Fe0.7O3-δ (STF), donde luego reemplazaremos parcialmente el Fe por cationes más fácilmente reducibles, como son el Ni y el Co, para producir la exsolución. Comenzaremos estudiando el STF como material de partida, haciendo foco particularmente en el efecto de la microestructura en la estabilidad y en el comportamiento electroquímico (Capítulo 3). Luego, estudiaremos el proceso de exsolución de aleaciones bimetálicas de Ni-Fe (Capítulo 4) y trimetálicas de NiCoFe (Capítulo 5) a partir del dopaje del electrodo original, STF, con Ni y Ni/Co respectivamente. Veremos que la expulsión parcial de estos metales de la estructura perovskita genera un exceso de Sr en los electrodos post-exsolución, pero que este efecto puede ser contrarrestado mediante la incorporación de una deficiencia de Sr en la perovskita original. Los estudios presentados en estos capítulos iniciales nos permitirán hallar dos materiales de electrodo de características muy interesantes que serán estudiados con mayor detalle en los capítulos 6, 7 y 8 (el Sr_0.93Ti_0.3Fe_0.63Ni_0.07O_3-δ y Sr_0.93Ti_0.3Fe_0.56Ni_0.07Co_0.07O_3-δ preparados por sol-gel, STFN93-sg y STFNC93-sg respectivamente). En particular, en el Capítulo 6 estudiaremos el efecto de la temperatura en el proceso de exsolución del electrodo STFN93-sg y su impacto en el comportamiento electroquímico como ánodo. En el Capítulo 7 abordamos los procesos de exsolución y reoxidación del electrodo STFN93-sg mediante un estudio de química superficial utilizando técnicas in-situ de espectroscopia de fotoelectrones y de absorción de rayos X (XPS y XAS). Al mismo tiempo, evaluaremos el comportamiento catódico del electrodo original en comparación con el electrodo reoxidado. Finalmente, en el Capítulo 8 repetiremos un estudio similar al de los capítulos 6 y 7 pero con el electrodo STFNC93-sg. Veremos que los electrodos STFN93-sg y STFNC93-sg estudiados en esta tesis son candidatos muy prometedores para celdas SOFC simétricas de temperatura intermedia (IT-S-SOFC) debido a su buena respuesta electroquímica como ánodo y como cátodo y fundamentalmente a la capacidad de auto-regenerar parcialmente el electrodo alternando entre atmósferas reductoras y oxidantes. |
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