Nanostructured mixed conductors for electrodes of intermediate temperature solid oxide fuel cells

En el presente trabajo de tesis doctoral se estudiaron propiedades morfológicas, estructurales y eléctricas de óxidos nanoestructurados para ser empleados como electrodos en celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT‐ SOFCs). En particular, se estudiaron soluciones solidas nanoestructuradas de ZrO2‐CeO2 aplicables como ánodo y nanopolvos de cobaltitas de La0,6Sr0,4CoO3‐δ y Sm0,5Sr0,5CoO3‐δ (LSC y SSC, respectivamente) aplicables como cátodo en este tipo de dispositivos. Se sintetizaron polvos nanoestructurados homogéneos en composición de ZrO2‐CeO2 en el rango de composiciones de 50 ‐ 90 % molar CeO2 empleando los métodos de gelificación‐ combustión, complejación de cationes y mojado de poros de membranas poliméricas para la síntesis de nanotubos. Para la síntesis de los polvos de LSC y SSC se emplearon los métodos de complejación de cationes, liofilización y gelificación‐combustión. La morfología de los productos sintetizados se estudió por medio de microscopía electrónica de barrido y de transmisión (SEM y TEM) y análisis de área superficial específica (BET). Los estudios sobre las propiedades estructurales se realizaron por medio de las técnicas de difracción de rayos‐X y espectroscopía de absorción de rayos‐X empleando radiación sincrotrón (DRX‐RS y XAS, respectivamente). El estudio del rendimiento electrocatalítico de cátodos de película gruesa preparados a partir de polvos nanoestructurados de LSC y SSC se realizó en celdas simétricas mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). En el caso del sistema ZrO2‐CeO2 los estudios realizados permitieron determinar la influencia del tamaño nanométrico de las cristalitas en las propiedades estructurales de los nanomateriales. En particular, a partir de los estudios por DRX‐RS se construyó un diagrama de fases metaestables para polvos nanoestructurados de ZrO2‐CeO2 homogéneos en composición. Por otro lado, mediante la técnica de XAS se pudieron hallar modelos de orden local para el Zr a partir de los cuales fue posible proponer mecanismos de retención de las fases de alta temperatura a temperatura ambiente en forma metaestable. Estudios de XAS in situ en atmósfera reductora permitieron establecer la relación entre morfología y estado de oxidación del Ce. Por otra parte, con el objeto de obtener morfologías controladas de alta área especifica, se reportó por primera vez la síntesis de nanotubos de ZrO2‐CeO2. Se demostró por primera vez la retención de la fase cúbica de alta temperatura de LSC a temperatura ambiente en polvos nanoestructurados. Los estudios electrocatalíticos indicaron que los cátodos nanoestructurados preparados con nanopolvos de LSC o SSC presentaron un rendimiento muy superior al de los cátodos microestructurados. Se determinó que el proceso limitante en los cátodos nanoestructurados es el de difusión de O2- en el material. Además, los cátodos nanoestructurados presentan mayor difusividad de aniones O2-. Los estudios realizados demostraron que los materiales nanoestructurados presentan características morfológicas, estructurales y eléctricas que los convierte en muy buenos candidatos para ser aplicados como electrodos en IT-SOFCs