Tesis

En esta tesis se investigó el diseño, síntesis y caracterización de películas delgadas de óxido de zirconio estabilizado con itria (YSZ), enfocándose en la influencia de la nanoestructuración y la mesoporosidad sobre el transporte iónico, con vistas a su aplicación como electrolito en celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). El trabajo combinó enfoques experimentales y teóricos, integrando técnicas avanzadas de caracterización estructural, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) y simulaciones ab initio basadas en teoría del funcional de la densidad (DFT).

Se desarrollaron películas delgadas densas y mesoporosas de YSZ con concentraciones de dopante de 4 % y 10 % molar de itrio, depositadas sobre diversos sustratos mediante el método sol-gel asistido por autoensamblado inducido por evaporación (AEIE). El uso de diferentes agentes moldeantes permitió controlar el grado de porosidad y evaluar su efecto sobre las propiedades funcionales del material.

Se exploraron distintos tratamientos térmicos con el objeto de preservar la estructura mesoporosa sin comprometer la estabilidad del óxido. La caracterización estructural mediante microscopía electrónica, difracción y reflectometría de rayos X reveló que la morfología de los films puede mantenerse ordenada y homogénea sometiendo los films a tratamientos térmicos del orden de 500 °C, logrando una porosidad accesible controlable en función del agente moldeante y las condiciones de calcinación. Las mediciones de impedancia electroquímica en configuraciones transversales y verticales permitieron analizar el comportamiento del transporte iónico en función de la temperatura y la presión parcial de oxígeno.

Los resultados demostraron que la presencia de una mesoporosidad altamente accesible mejora la conductividad superficial y reduce la energía de activación del proceso global de conducción iónica. Se identificó un mecanismo dominante consistente con la migración de iones óxido a lo largo de los bordes de grano y superficies internas. Las simulaciones DFT-NEB confirmaron que las barreras de energía para la migración iónica son menores en trayectorias superficiales, particularmente en regiones pobres en itrio, confirmando los resultados experimentales.

Asimismo, se fabricaron y evaluaron celdas simétricas compuestas por películas delgadas mesoporosas sobre sustratos monocristalinos de YSZ. Estas celdas exhibieron mejoras sustanciales en la respuesta electroquímica, lo cual se atribuye a una mayor área activa y mejor conectividad del transporte superficial.

Los resultados de esta tesis demuestran que el control de la microestructura a través de la síntesis mesoporosa permite optimizar el desempeño de materiales cerámicos para dispositivos de conversión de energía y constituye un avance en el uso de películas delgadas para SOFC. Esto abre nuevas líneas dentro de este tema del diseño racional de electrolitos nanoestructurados, con potencial para contribuir al desarrollo de SOFCs más eficientes y operativas a temperaturas intermedias.