Síntesis y caracterización de óxidos de cerio dopados con lantánidos para su utilización como electrodos en una celda de óxido sólido (SOC).

Abstract

[ES] Los combustibles fósiles siguen siendo la principal fuente de energía a nivel mundial. Éstos son recursos no renovables que generan graves problemas medioambientales, principalmente por la emisión de gases de efecto invernadero, que contribuyen al calentamiento global. Para frenar este fenómeno, se está explorando la posibilidad de obtener energía a partir de fuentes renovables. En este contexto, es necesario desarrollar materiales y tecnologías capaces de transformar el excedente eléctrico generado por fuentes renovables, como la energía eólica o solar, en combustibles o moléculas con valor añadido. La electrólisis del agua utilizando celdas de óxido sólido es una tecnología prometedora para producir hidrógeno de manera limpia y renovable. Este hidrógeno podría convertirse en un vector energético clave para el futuro, abriendo paso a la economía del hidrógeno. La electrólisis de agua mediante las celdas electroquímicas es uno de los métodos para la producción de hidrógeno. En este TFM se ha realizado el estudio de diferentes configuraciones de cerio dopado con lantánidos como material de electrodo de hidrógeno, y no como material del electrolito como es su uso habitual, en celdas de óxido sólido, SOC. El objetivo de este trabajo ha sido la fabricación y caracterización de celdas simétricas con electrodos de óxido de cerio dopado con lantano o gadolinio en distintas proporciones (Ce0,9 La0,1O1,95, Ce0,9 La0,1O1,95 , Ce0,8 La0,2O1,90 y Ce0,8 Gd0,2O1,90 ) empleando como electrolito óxido de zirconio estabilizado con óxido de escandio y óxido de cerio, (ZrO2)0.89(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01. Se ha realizado un estudio de la temperatura de sinterización del electrodo al electrolito a 1100-1250ºC, encontrando la temperatura óptima. El estudio ha consistido en medir a diferentes temperaturas de operación (600-800ºC), fracciones de hidrógeno (15, 50 y 100%) y condiciones de humedad (seco y 3% H2O) y en determinar la resistencia de polarización de las diferentes celdas electroquímicas con datos obtenidos mediante la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). A partir de los valores de resistencias de polarización obtenidas se ha estudiado el efecto del dopante, lantano o gadolinio, de la fracción del dopante, a 10% o 20% en masa molar, y la morfología de las partículas de los electrodos (laminar o esférica). Asimismo, se han determinado los valores de la energía de activación correspondiente a cada celda en ambiente seco y húmedo. Después del estudio del comportamiento de las celdas estudiadas en función de la resistencia de polarización, la celda con el electrodo de Ce0,9 La0,1O1,95 , que tiene como dopante el lantano a 10% en masa molar con una morfología globular en ambiente seco da lugar al mejor comportamiento electroquímico.

[EN] Fossil fuels remain the main source of energy worldwide. Fossil fuels are non-renewable resources that cause serious environmental problems, mainly through the emission of greenhouse gases, which contribute to global warming. To curb this phenomenon, the possibility of obtaining energy from renewable sources is being explored. In this context, it is necessary to develop materials and technologies capable of transforming surplus electricity generated by renewable sources, such as wind or solar energy, into fuels or molecules with added value. Water electrolysis using solid oxide cells is a promising technology to produce hydrogen in a clean and renewable way. This hydrogen could become a key energy carrier for the future, paving the way for the hydrogen economy. Electrolysis of water using electrochemical cells is one of the methods for hydrogen production. In this TFM we have studied different configurations of lanthanide-doped cerium as a hydrogen electrode material, and not as an electrolyte material as it is usually used, in solid oxide cells, SOCs. The aim of this work has been the fabrication and characterization of symmetrical cells with cerium oxide electrodes doped with lanthanide or gadolinium in different proportions (Ce0,9 La0,1O1,95, Ce0,9 La0,1O1,95’, Ce0,8 La0,2O1,90 y Ce0,8 Gd0,2O1,90’) using as electrolyte zirconium oxide stabilized with scandium oxide and cerium oxide, (ZrO2)0.89(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01. A study of the sintering temperature of the electrode to the electrolyte at 1100-1250ºC has been carried out, finding the optimum temperature. The study consisted of measuring at different operating temperatures (600-800ºC), hydrogen fractions (15, 50 and 100%) and humidity conditions (dry and 3% H2O) and determining the polarization resistance of the different electrochemical cells with data obtained by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). From the polarization resistance values obtained, the effect of the dopant, lanthanum or gadolinium, the dopant fraction, at 10% or 20% molar mass, and the morphology of the electrode particles (laminar or spherical) have been studied. Activation energy values have also been determined for each cell in dry and wet environments. After studying the behaviour of the cells studied as a function of the polarization resistance, the cell with the Ce0,9 La0,1O1,95’electrode, which has lanthanum as a dopant at 10% molar mass with a globular morphology in a dry environment, shows the highest electrochemical performance

[CA] Els combustibles fòssils continuen essent la principal font d'energia a escala mundial. Aquests recursos són no renovables i generen greus problemes mediambientals, principalment per l'emissió de gasos d'efecte d'hivernacle, que contribueixen a l'escalfament global. Per a frenar aquest fenomen, s'està explorant la possibilitat d'obtindre energia a partir de fonts renovables. En aquest context, és necessari desenrotllar materials i tecnologies capaces de transformar l'excedent elèctric generat per fonts renovables, com l'energia eòlica o solar, en combustibles o molècules amb valor afegit. L'electròlisi de l'aigua utilitzant cel·les d'òxid sòlid és una tecnologia prometedora per a produir hidrogen de manera neta i renovable. Aquest hidrogen podria convertir-se en un vector energètic clau per al futur, obrint passe a l'economia de l'hidrogen. L'electròlisi d'aigua mitjançant les cel·les electroquímiques és un dels mètodes per a la producció d'hidrogen. En aquest TFM s'ha realitzat l'estudi de diferents configuracions de ceri dopat amb lantànids com a material d'elèctrode d'hidrogen, i no com a material de l'electròlit, com és el seu ús habitual, en cel·les d'òxid sòlid, SOCs. L'objectiu d'aquest treball ha sigut la fabricació i caracterització de cel·les simètriques amb elèctrodes d'òxid de ceri dopat amb lantà o gadolini en diferents proporcions (Ce0,9 La0,1O1,95, Ce0,9 La0,1O1,95’, Ce0,8 La0,2O1,90 y Ce0,8 Gd0,2O1,90’) emprant com a electròlit òxid de zirconi estabilitzat amb òxid d'escandi i òxid de ceri, (ZrO2)0.89(Sc2O3)0.1(CeO2)0.01. S'ha realitzat un estudi de la temperatura de sinterització de l'elèctrode a l'electròlit a 1100-1250 °C, trobant la temperatura òptima. L'estudi ha consistit a mesurar a diferents temperatures d'operació (600-800 °C), fraccions d'hidrogen (15, 50 i 100%), condicions d'humitat (en sec i amb 3% d'aigua) i a determinar la resistència de polarització de les diferents cel·les electroquímiques amb dades obtingudes mitjançant la tècnica d'espectroscòpia d'impedància electroquímica (EIS). A partir dels valors de resistències de polarització obtinguts s'ha estudiat l'efecte del dopant, lantà o gadolini, de la fracció del dopant, a 10% o 20% en massa molar, i de la morfologia de les partícules dels elèctrodes (laminar o esfèrica). A més a més, s'han determinat els valors de l'energia d'activació corresponent a cada cel·la en ambient sec i humit. Després de l'estudi del comportament de les cel·les estudiades en funció de la resistència de polarització, la cel·la amb l'elèctrode de Ce0,9 La0,1O1,95’, que té com a dopant lantà amb un 10% en massa molar amb una morfologia globular en ambient sec dona lloc al millor comportament electroquímic.