Cátodos nanocristalinos de estructura perovskita para celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia
2015
| Nombre | Augusto MEJÍA GÓMEZ Licenciado en Física - Universidad Pedagógica y tecnológica de Colombia - Colombia Doctor en Ciencia y Tecnología, mención Física Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Diego Germán LAMAS, UNSAM, CONICET - Argentina Dr. Joaquín SACANELL, UNSAM, CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 01/12/2015 |
| Jurado | Dr. Claudio Ariel DANÓN, CNEA - Argentina Dra. Susana Adelina LARRONDO, CITEDEF, UNSAM - Argentina Dr. Federico Andrés VIVA, CNEA, CONICET - Argentina |
| Código | IS/TD 95/15 |
Título completo
Cátodos nanocristalinos de estructura perovskita para celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia
Resumen
En esta tesis se estudiaron las propiedades de materiales nanoestruturados de conducción mixta iónica y electrónica (MIECs), con estructura perovskita simple o doble, que pueden ser aplicados como cátodos para celdas de combustible de óxido sólido a temperatura intermedia (IT-SOFCs) es decir, entre 500 y 750°C. La investigación se centró en dos aspectos importantes: el efecto del tipo de nanoestructura y de la composición del cátodo en el rendimiento electroquímico del electrodo y la cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
Con el fin de estudiar estos fenómenos, se prepararon y caracterizaron nanoestructuras de La0,6Sr0,4Co1-yFeyO3- con y = 0,2; 0,5 y 0,8 (LSCF), con estructura perovskita, y de Ln0,5Ba0,5CoO3- con Ln = La; Sm o Gd (LnBCO), con estructura doble perovskita. Estos materiales fueron depositados y sinterizados sobre electrolitos de Ce0,8Gd0,2O1,9(GDC), formando celdas simétricas [cátodo/GDC/cátodo].
Por medio de microscopia electrónica de barrido se pudo comprobar la formación de nanoestructuras porosas tipo hilo y tubulares. Los estudios por difracción de rayos-X mostraron la formación de las fases esperadas para estos materiales. En el caso de los nanomateriales de LSCF se realizaron también estudios por espectroscopía de absorción de rayos X y espectroscopía Mössbauer. El análisis de las propiedades electroquímicas de los cátodos se realizó mediante espectroscopía de impedancia electroquímica en función de la temperatura y la presión parcial de oxígeno. Los cátodos tipo hilo presentaron mejores propiedades electrocatalíticas. La sustitución de Fe por Co en los materiales de LSCF no afectó significativamente su desempeño electrocalítico. En el caso de los cátodos de LnBCO, la mejor performance correspondió a Ln = La, que no tiene estructura de doble perovskita por el desorden de los cationes en el sitio A.
Además se realizó un estudio de los procesos que limitan la ORR. El análisis de los datos obtenidos reveló que, para este tipo de cátodos de alta área específica (que por lo tanto presentan un número muy importante de sitios de reacción), la ORR está limitada por el proceso de difusión de iones óxido O2-en el volumen del material.
Con el fin de estudiar estos fenómenos, se prepararon y caracterizaron nanoestructuras de La0,6Sr0,4Co1-yFeyO3- con y = 0,2; 0,5 y 0,8 (LSCF), con estructura perovskita, y de Ln0,5Ba0,5CoO3- con Ln = La; Sm o Gd (LnBCO), con estructura doble perovskita. Estos materiales fueron depositados y sinterizados sobre electrolitos de Ce0,8Gd0,2O1,9(GDC), formando celdas simétricas [cátodo/GDC/cátodo].
Por medio de microscopia electrónica de barrido se pudo comprobar la formación de nanoestructuras porosas tipo hilo y tubulares. Los estudios por difracción de rayos-X mostraron la formación de las fases esperadas para estos materiales. En el caso de los nanomateriales de LSCF se realizaron también estudios por espectroscopía de absorción de rayos X y espectroscopía Mössbauer. El análisis de las propiedades electroquímicas de los cátodos se realizó mediante espectroscopía de impedancia electroquímica en función de la temperatura y la presión parcial de oxígeno. Los cátodos tipo hilo presentaron mejores propiedades electrocatalíticas. La sustitución de Fe por Co en los materiales de LSCF no afectó significativamente su desempeño electrocalítico. En el caso de los cátodos de LnBCO, la mejor performance correspondió a Ln = La, que no tiene estructura de doble perovskita por el desorden de los cationes en el sitio A.
Además se realizó un estudio de los procesos que limitan la ORR. El análisis de los datos obtenidos reveló que, para este tipo de cátodos de alta área específica (que por lo tanto presentan un número muy importante de sitios de reacción), la ORR está limitada por el proceso de difusión de iones óxido O2-en el volumen del material.
Complete Title
Nanocrystalline cathode perovskite structure for fuel cells intermediate temperature solid oxide
Abstract
In the permanent search of generating energy in a clean and efficient manner, fuel cells have great interest. There are different types of cells, with important differences in the application, size, cost, and scope of operation. In particular, solid oxide(SOFC) fuel cells are interesting by its high efficiency and flexibility in the choice of fuel, and can operate with both hydrogen and hydrocarbons, but have difficulty requiring a high operating temperature.Currently working intensively to reduce the operation temperature between 500 and 750°C(IT-SOFC).
In this thesis we studied the properties of materials nanostructured of mixed Ionic conduction and electronic (MIECs), with structure perovskite single or double, which can be applied as cathodes for IT-SOFCs. The research focused on two important aspects:the effect of the type of nanostructure and the composition of the cathode in electrochemical electrode performance and the kinetics of the reduction of oxygen (ORR) reaction.
Were prepared and characterized nanostructures of La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3- whit y = 0.2; 0.5 and 0.8 (LSCF) with structure simple perovskite, and Ln0.5Ba0.5CoO3-, Ln = La; Sm or Gd (LnBCO), with double perovskite structure for ordering of site A cations (Ln = Gd and Sm). These materials were deposited by thick film technique and sintered on Ce0.8Gd0.2O1.9(CGD) ceramic electrolyte, forming symmetrical cells [cathode/GDC/cathode].
By means of scanning electron microscopy (SEM),the formation of porous nanostructures wire and tubular type is observed.The studies by diffraction (XRD)showed the formation of phases expected for these materials. In the case of the LSCF nano materials studies were also performed byX-ray absorption spectroscopy (both near and away from the edge of absorption techniques known as XANES and EXAFS, respectively) and Mössbauer Spectroscopy. The analysis of the electrochemical properties of cathodes was carried out using the technique of spectroscopy of electrochemical impedance (EIS) depending on the temperature and partial pressure of oxygen. The cathodes with nanostructure type wire presented best properties electrocatalysis. There placement of Fe by Co in LSCF materials didnot significantly affect their performance electrocalytic. In the case of LnBCO cathodes,the best performance corresponded to Ln = La, has no double perovskite structure bycations in site A disorder.
In addition, a study of the processes that limit the ORR. The analysis of the data revealed that, for this type high specific area cathodes (which therefore pose a very significant number of reaction sites), the ORR is limited by the diffusion of oxide ions O2- inthe material volume. It is important to notethat the nanostructuring increases edge grain/volume relationship, which favoring the total ionic conduction and the conductivity in grain boundary it is greater than the volume.
In this thesis we studied the properties of materials nanostructured of mixed Ionic conduction and electronic (MIECs), with structure perovskite single or double, which can be applied as cathodes for IT-SOFCs. The research focused on two important aspects:the effect of the type of nanostructure and the composition of the cathode in electrochemical electrode performance and the kinetics of the reduction of oxygen (ORR) reaction.
Were prepared and characterized nanostructures of La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3- whit y = 0.2; 0.5 and 0.8 (LSCF) with structure simple perovskite, and Ln0.5Ba0.5CoO3-, Ln = La; Sm or Gd (LnBCO), with double perovskite structure for ordering of site A cations (Ln = Gd and Sm). These materials were deposited by thick film technique and sintered on Ce0.8Gd0.2O1.9(CGD) ceramic electrolyte, forming symmetrical cells [cathode/GDC/cathode].
By means of scanning electron microscopy (SEM),the formation of porous nanostructures wire and tubular type is observed.The studies by diffraction (XRD)showed the formation of phases expected for these materials. In the case of the LSCF nano materials studies were also performed byX-ray absorption spectroscopy (both near and away from the edge of absorption techniques known as XANES and EXAFS, respectively) and Mössbauer Spectroscopy. The analysis of the electrochemical properties of cathodes was carried out using the technique of spectroscopy of electrochemical impedance (EIS) depending on the temperature and partial pressure of oxygen. The cathodes with nanostructure type wire presented best properties electrocatalysis. There placement of Fe by Co in LSCF materials didnot significantly affect their performance electrocalytic. In the case of LnBCO cathodes,the best performance corresponded to Ln = La, has no double perovskite structure bycations in site A disorder.
In addition, a study of the processes that limit the ORR. The analysis of the data revealed that, for this type high specific area cathodes (which therefore pose a very significant number of reaction sites), the ORR is limited by the diffusion of oxide ions O2- inthe material volume. It is important to notethat the nanostructuring increases edge grain/volume relationship, which favoring the total ionic conduction and the conductivity in grain boundary it is greater than the volume.
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