Autoensamblado de nanocatalizadores para aplicación en celdas de conversión energética

Abstract

[ES] Las celdas electroquímicas de óxido sólido (SOC, del inglés) son dispositivos electroquímicos que transforman directamente los combustibles en energía eléctrica o viceversa, según actúen como pila de combustible o electrolizador, con rendimientos en torno al 50-60%. Están formadas básicamente de un electrolito de cerámica denso para transporte de iones y dos electrodos donde se llevan a cabo las reacciones químicas. Estas celdas operan a temperaturas cercanas a los 1000º C, por lo que los electrodos son suficientemente catalíticos, pero el resto de los componentes se ve comprometido por las agresivas condiciones de operación. En las celdas SOC-H, son los protones H+ formados en el ánodo los que difunden a través del electrolito. Tienen la ventaja de operar entre 400-800 °C, pero están limitadas por las reacciones en los electrodos, especialmente el positivo o cátodo. El objetivo de este trabajo es el diseño y desarrollo de cátodos para SOC-H. Se ha llevado a cabo la síntesis y caracterización de dobles perovskitas (óxidos mixtos) para su aplicación como cátodo. Se ha estudiado la técnica de exsolución de nanopartículas metálicas con el objetivo de mejorar las propiedades catalíticas del electrodo. Los materiales que se desarrollaron fueron: BGYC82, BGYC28, BGYC55, BGLC37, BGLuC55 y BGLuC82. El método de síntesis que se utilizó fue la reacción en estado sólido. Además, se procedió a estudiar el comportamiento de los materiales sintetizados, al utilizar diferentes lantánidos, tras su tratamiento al proceso de exsolución.

[EN] Solid oxide electrochemical cells (SOC) are electrochemical devices that directly transform fuels into electrical energy or vice versa, depending on whether they act as a fuel cell or electrolyzer, with efficiencies of around 50-60%. They are basically made up of a dense ceramic electrolyte for ion transport and two electrodes where chemical reactions take place. These cells operate at temperatures close to 1000 ºC, so the electrodes are sufficiently catalytic, but the rest of the components are compromised by the aggressive operating conditions. In SOC-H cells, it is the H+ protons formed at the anode that diffuse through the electrolyte. They have the advantage of operating between 400-800 °C, but are limited by the reactions at the electrodes, especially the positive or cathode. The objective of this work is the design and development of cathodes for SOCH. The synthesis and characterization of double perovskites (mixed oxides) for their application as cathode has been carried out. The metal nanoparticle exsolution technique has been studied with the aim of improving the catalytic properties of the electrode. The materials that were developed were: BGYC82, BGYC28, BGYC55, BGLC37, BGLuC55 and BGLuC82. The synthesis method used was the solid-state reaction. In addition, we proceeded to study the behavior of synthesized materials, using different lantanides, after their treatment in the exsoling process.

[CA] Les cel·les electroquímiques d'òxid sòlid (SOC, de l'anglés) són dispositius electroquímics que transformen directament els combustibles en energia elèctrica o viceversa, segons actuen com a pila de combustible o electrolitzador, amb rendiments entorn del 50-60%. Estan formades bàsicament d'un electròlit de ceràmica dens per a transport d'ions i dos elèctrodes on es duen a terme les reaccions químiques. Aquestes cel·les operen a temperatures pròximes als 1000 °C, per la qual cosa els elèctrodes són prou catalítics, però la resta dels components es veu compromés per les agressives condicions d'operació. En les cel·les SOC-H, són els protons H+ formats en l'ànode els que difonen a través de l'electròlit. Tenen l'avantatge d'operar entre 400-800 °C, però estan limitades per les reaccions en els elèctrodes, especialment el positiu o càtode. L'objectiu d'aquest treball és el disseny i desenvolupament de càtodes per a SOC-H. S'ha dut a terme la síntesi i caracterització de dobles perovskitas (òxids mixtos) per a la seua aplicació com a càtode. S'ha estudiat la tècnica de exsolució de nanopartícules metàl·liques amb l'objectiu de millorar les propietats catalítiques de l'elèctrode. Els materials que es van desenvolupar van ser: BGYC82, BGYC28, BGYC55, BGLC37, BGLuC55 i BGLuC82. El mètode de síntesi que es va utilitzar va ser la reacció en estat sòlid. A més, es va procedir a estudiar el comportament dels materials sintetitzats, en utilitzar diferents lantànids, després del seu tractament al procés de exsolució.