Thin Film Proton and Mixed Conductors

Abstract

[ES] En este trabajo final de máster se va a llevar estudios de membranas de conducción de protones. Estas membranas pueden ser aplicadas en el campo de producción y almacenamiento de hidrogeno, ya que pueden separar hidrogeno de manera eficiente y con alta pureza. El hidrogeno es un vector energético con mucho potencial y solo produce agua como único subproducto cuando se utiliza como combustible. Además, se utiliza en muchos procesos industriales y se puede utilizar como aditivo para obtener combustibles menos dependientes de los combustibles fósiles. Hoy en día, el principal método para la producción de hidrogeno es el reformado con vapor de metano. Pero este hidrogeno producido mediante reformado tiene una pureza insuficiente para algunas aplicaciones como en membranas de electrólito poliméricas (PEM). La técnica más utilizada para aumentar la pureza del hidrogeno la adsorción por presión (PSA). Las membranas son menos demandantes energéticamente que el PSA y también tiene el potencial para obtener fluxes mayores. El hidrogeno es el llamado combustible del futuro y las membranas pueden ser una parte clave de este futuro. Este trabajo se basará en el estudio de capas delgadas catalíticamente activas al hidrogeno realizadas mediante un equipo de pulverización catódica de radiofrecuencia (RF-sputtering). El RF-sputtering es un proceso en el cual un gas (inerte o reactivo) se ioniza aplicando una gran energía y generando un plasma en una cámara de vacío. El gas ionizado arranca átomos del material empleado como blanco y libera por tanto átomos de este material que bombardean la superficie del substrato en forma de capa delgada del orden nanométrico. Se puede manipular algunas condiciones del proceso como temperatura, flujo de gases y tiempo de deposición. Cambios en estas condiciones dan lugar a capas delgadas con propiedades estructurales distintas. Las capas delgadas presentan algunas ventajas sobre materiales de mayor espesor. Lo más importante es que la resistencia que aporta es menor y puede proporcionar un flux más alto. Sin embargo, las capas delgadas tienen una menor resistividad mecánica y en el proceso se pierde mucho material en la cámara. Pulverización catódica por radiofrecuencia es diferente de la DC porque utiliza ciclos de cargas alternos. Cambios en el potencial de carga, evita la acumulación de carga en materiales dieléctricos. Esto permite emplear materiales cerámicos con conductividad protónica (o iónica si es necesario). En este trabajo se estudiará el uso de capas delgadas de materiales como óxidos de gadolinio dopados o paladio sobre sustratos porosos. De esta forma, se busca la creación de capas catalíticas densas sobre soportes porosos que permitan un flux de hidrogeno a través de ellos o combinados con otros materiales/capas. Para ello primero se estudiará, sobre sustratos de cuarzo y silicio, la influencia de la temperatura, presión parcial de gases y tiempo de depositado, así como tratamientos térmicos posteriores que permitan obtener capas con la estructura y densidad deseadas. Una vez obtenidas las membranas, o las capas sobre cuarzo o silicio, se caracterizarán tanto estructural como electroquímicamente. Mediante difracción de rayos-X y microscopia electrónica de barrido se obtendrán datos de la cristalinidad, estructura molecular y microestructura de las capas delgadas. También se realizará espectroscopia fotoelectrónica de rayos-X para obtener información de la estructura electrónica de las capas. Finalmente, se realizarán medidas de conductividad DC a cuatro puntas. Para ello se medirá la conductividad en atmosferas secas y húmedas con un 5% de hidrogeno y deuterio. El objetivo de este trabajo final de máster es el estudio de materiales, y su combinación, que puedan ser empleadas en membranas de separación de hidrogeno que sean efectivas, selectivas y estables.