Tesis

Uno de los desafíos más importantes en el campo de las celdas de combustible de óxido sólido, SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells), es el desarrollo de materiales que permitan reducir las temperaturas de operación manteniendo una alta eficiencia. Un electrolito de alta conductividad iónica es una pieza clave en el diseño de este tipo de dispositivos.
El tema central de esta tesis de doctorado es el desarrollo y la caracterización de cerámicos nanoestructurados o de grano fino de circonia-escandia, ZrO2-Sc2O3, para su uso como electrolitos en SOFCs de temperatura intermedia. Mediante un conjunto de técnicas de caracterización, se investigó fundamentalmente la relación de la estructura y las propiedades eléctricas de estos materiales con el tamaño de sus cristalitas o granos. Se estudió la estructura cristalina tanto de polvos nanoestructurados, sintetizados por el método de gelificación-combustión, como de cerámicos de grano fino (submicrométrico),obtenidos por compactación y sinterizado de los polvos. En ambos casos, el uso de técnicas con radiación sincrotón permitió la adecuada caracterización estructural y la identificación de fases comúnmente no distinguibles por difracción convencional de polvos.
La determinación de un diagrama de fases para polvos nanoestructurados de ZrO2-Sc2O3 y el estudio de la evolución del mismo con el tamaño de cristalita es un aporte original de esta tesis, el cual, además de permitir un mayor conocimiento de este sistema, constituye una importante aproximación al estudio de los diagramas de fases dependientes del tamaño de cristalita. Se estudió, además, el orden atómico local en estos polvos nanoestructurados de fases metaestables mediante la técnica de espectroscopia de absorción de rayos X. En el caso de cerámicos de grano fino densificados a bajas temperaturas, se estudió la relación entre la estructura cristalina y las fases presentes. Se propone que la retención de fases metaestables en estos materiales se debe a un mecanismo doble, en el que actúan el tamaño de grano y las tensiones generadas por la alta densidad de los materiales. Ambos factores están vinculados con fenómenos superficiales.
Por último, se investigó la influencia de la microestructura en el transporte iónico en cerámicos de ZrO2-Sc2O3 de tamaño de grano submicrométrico. La caracterización eléctrica mostró que se produce un aumento en la conductividad iónica total al reducir el tamaño de grano, la cual puede atribuirse a un aumento muy importante en la difusividad de iones óxido a través de los bordes de grano. Los resultados anteriores demuestran que los electrolitos cerámicos nanoestructurados o de grano fino de ZrO2-Sc2O3 tienen interesantes propiedades que justifican su empleo en SOFCs de temperatura intermedia.