Desarrollo de materiales protónicos en estado sólido tipo Thin Film para operar a bajas temperaturas

Abstract

[ES] Una manera de almacenamiento seguro, rentable y eficiente de H2 y por consiguiente, de energía, es el uso de moléculas orgánicas que sean capaces de integrar al H2 mediante una hidrogenación catalítica, dando como resultado un compuesto líquido. Esto facilita el almacenaje y transporte permitiendo además utilizar la infraestructura existente para los combustibles líquidos. El H2 se libera a demanda mediante una reacción de deshidrogenación catalítica, que suele venir seguida de otro proceso para producir electricidad en una pila de combustible. Este concepto en el que se basa este trabajo necesita del desarrollo de un reactor electroquímico de membrana (CMR) que permita acoplar las reacciones catalíticas de hidrogenación/deshidrogenación directamente con la operación electroquímica en modo de electrolizador/pila de combustible. El principal desafío reside en desarrollar materiales y componentes electroquímicos capaces de operar eficientemente en el rango de temperaturas adecuado para las reacciones de des/hidrogenación: 250 ¿ 400 °C. Actualmente no existe una tecnología electroquímica que se ajuste a este requisito. Las tecnologías de electrolito cerámico (estado sólido) requieren una alta temperatura (> 450 °C), para presentar conductividades y actividad electrocatalítica adecuadas. Por el contrario, las tecnologías basadas en electrolito polimérico operan a baja temperatura (≤ 200 °C), aunque su eficiencia es menor, y resultan inestables y totalmente disfuncionales a temperaturas superiores. El objetivo de este TFM será el desarrollo de materiales protónicos (partiendo de óxidos de tierras raras dopadas) que puedan ser usados como electrolitos a baja temperatura. Para ello, se van a desarrollar y caracterizar en forma de películas delgadas para ser usados como electrolito cerámico en el dispositivo. Las capas se depositarán mediante un equipo de pulverización catódica (RF-sputtering), donde se produce una vaporización de los átomos de un material sólido mediante el bombardeo de éste con iones energéticos, que permite obtener espesor de capa del rango nanométrico. La morfología, espesor y estructura de las películas delgadas y la interacción con el resto de componentes se caracterizarán mediante técnicas como XRD, SEM o XPS. Finalmente, para su caracterización electroquímica, se utilizará el método de cuatro puntos para la determinación de conductividad DC y medidas de permeación

[EN] A safe, cost-effective and efficient way of storing H2, and therefore energy, is the use of organic molecules that are capable of integrating H2 through catalytic hydrogenation, resulting in a liquid compound. This facilitates storage and transport and allows the use of existing infrastructure for liquid fuels. H2 is released on demand through a catalytic dehydrogenation reaction, which is usually followed by another process to produce electricity in a fuel cell. The concept on which this work is based requires the development of a membrane electrochemical reactor (CMR) to couple the catalytic hydrogenation/dehydrogenation reactions directly with the electrochemical operation in electrolyser/fuel cell mode. The main challenge lies in developing electrochemical materials and components capable of operating efficiently in the temperature range suitable for de/hydrogenation reactions: 250 ¿ 400 °C. Currently, there is no electrochemical technology that meets this requirement. Ceramic electrolyte (solid state) technologies require a high temperature (> 450 °C), in order to show adequate conductivity and electrocatalytic activity. In contrast, polymer electrolyte-based technologies operate at low temperatures (≤ 200 °C), although their efficiency is lower, and they are unstable and totally dysfunctional at higher temperatures. The aim of this TFM will be to develop protonic materials (based on doped rare earth oxides) that can be used as electrolytes at low temperature. For this purpose, they will be developed and characterised in the form of thin films to be used as ceramic electrolyte in the device. The layers will be deposited by means of a sputtering device (RF-sputtering), where the atoms of a solid material are vaporised by bombarding it with energetic ions, which allows layer thicknesses in the nanometric range to be obtained. The morphology, thickness and structure of the thin films and the interaction with the rest of the components will be characterised using techniques such as XRD, SEM or XPS. Finally, for their electrochemical characterisation, the four-point method will be used to determine DC conductivity and permeation measurements.