Preparación y propiedades de nuevos electrodos para Celdas de Combustible de Óxido Sólido Simétricas
2025
| Tesista | Stefanía OROZCO GIL Ingeniera Física, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia |
| Directores | Dr. Diego LAMAS. ITECA - Argentina Dra. Inga. Susana Adelina LARRONDO. CITEDEF - Argentina |
| Lugar de realización | CITEDEF –DEINSO (Departamento de Investigaciones en Sólidos) - Argentina |
| Fecha Defensa | 26/05/2025 |
| Jurado | Dr. Pablo BOTTA. INTEMA - Argentina |
Título completo
Preparación y propiedades de nuevos electrodos para Celdas de Combustible de Óxido Sólido Simétricas
Resumen
En esta investigación se llevó a cabo la síntesis y caracterización completa de nuevos materiales para electrodos en celdas de combustible de óxido sólido simétricas (S-SOFC, Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell). El objetivo principal fue mejorar la eficiencia de los materiales utilizados en estos dispositivos y contribuir al avance en la investigación y desarrollo de la tecnología actual, acercando así su posible incorporación a los procesos de diversificación de la matriz energética.
Se llevó a cabo un estudio sistemático de materiales tipo perovskitas ABO₃, con Sr en el sitio A y Co/Mo en el sitio B, donde se desarrollaron dos métodos de síntesis por vía húmeda como son el método de gelificación-combustión glicina-nitrato y complejación de cationes con ácido cítrico. Además, se realizaron caracterizaciones desde el punto de vista estructural, morfológico, químico y electroquímico de los materiales obtenidos. Para ello, fue necesaria la implementación de técnicas convencionales de laboratorio junto con herramientas avanzadas basadas en luz sincrotrón, entre las que se incluyen la difracción de rayos X, la microscopía electrónica de barrido, la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y la espectroscopía de absorción de rayos X. Asimismo, se llevaron a cabo ensayos de reducción a temperatura programada y espectroscopía de impedancia electroquímica para evaluar las propiedades redox y la respuesta electroquímica de los materiales sintetizados.
Como referencia, se empleó la perovskita simple Sr(Co0,95;Mo0,05)O3-δ, conocida por sus óptimas propiedades electroquímicas en cátodos de celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFC, Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cell). Este material destaca por su conducción mixta iónica y electrónica, así como por su alta actividad electrocatalítica en las reacciones de reducción de oxígeno.
En este trabajo, se logró estabilizar a temperatura ambiente y en aire un material tipo doble perovskita, Sr₂(Co1,1;Mo0,9)O6-δ, completamente monofásico. Su desempeño electroquímico fue comparado con el de la perovskita simple de referencia mediante una caracterización exhaustiva, enfocada en su comportamiento para las reacciones de oxidación de combustible y reducción de oxígeno. En particular, se hizo énfasis en su estabilidad y respuesta en condiciones catódicas, un aspecto que no había sido explorado previamente en profundidad. Se obtuvieron valores de resistencia de polarización en aire a 750 oC de 0,080 Ωcm2 para Sr(Co0,95;Mo0,05)O3-δ y de 0,085 Ωcm2 para Sr₂(Co1,1;Mo0,9)O6-δ. Asimismo, en atmósfera reductora a la misma temperatura la resistencia de polarización fue de 1,32 Ωcm² para la doble perovskita. Adicionalmente, el análisis de distribución de tiempos de relajación permitió identificar los procesos limitantes en cada sistema, determinando que la difusión de oxígeno a través del electrodo es el factor que más contribuye a la resistencia de polarización total en ambos materiales. Finalmente, se realizó una primera evaluación de la potencia máxima obtenida en una monocelda con electrodos de Sr₂(Co1,1;Mo0,9)O6-δ y un electrolito de La0.80Sr0.20Ga0.80Mg0.20O3-δ en configuración simétrica, donde se alcanzó una densidad de potencia máxima de 100 mW/cm² a 800 °C. Estos resultados establecen bases experimentales prometedoras para el desarrollo de celdas S-SOFC operando a temperaturas intermedias, con potencial de optimización en términos de rendimiento y durabilidad.
Complete Title
Preparation and properties of new electrodes for symmetrical solid oxide fuel cells
Abstract
In this research, the synthesis and complete characterization of new electrode materials for symmetrical solid oxide fuel cells (S-SOFC) were carried out. The main objective was to improve the efficiency of the materials used in these devices and contribute to the advancement of research and development of current technology, thus bringing their potential incorporation into energy matrix diversification processes closer.
A systematic study was conducted on perovskite-type ABO₃ materials, with Sr in the A site and Co/Mo in the B site. Two wet-chemical synthesis methods were developed: the glycine-nitrate gel combustion method and the citric acid cation complexation method. Furthermore, structural, morphological, chemical, and electrochemical characterizations of the obtained materials were performed. For this purpose, conventional laboratory techniques were combined with advanced synchrotron-based tools, including X-ray diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray absorption spectroscopy. Additionally, temperature-programmed reduction tests and electrochemical impedance spectroscopy were carried out to evaluate the redox properties and electrochemical response of the synthesized materials.
As a reference, the simple perovskite Sr(Co₀.₉₅Mo₀.₀₅)O₃-δ was used, known for its optimal electrochemical properties in cathodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC). This material stands out for its mixed ionic and electronic conduction, as well as its high electrocatalytic activity in oxygen reduction reactions.
In this work, a completely single-phase double perovskite material, Sr₂(Co₁.₁Mo₀.₉)O₆-δ, was successfully stabilized at room temperature in air. Its electrochemical performance was compared with that of the reference simple perovskite through an exhaustive characterization, focusing on its behavior in fuel oxidation and oxygen reduction reactions. In particular, emphasis was placed on its stability and response under cathodic conditions, an aspect that had not been previously explored in depth. Polarization resistance values in air at 750 °C were obtained as 0.080 Ωcm² for Sr(Co₀.₉₅Mo₀.₀₅)O₃-δ and 0.085 Ωcm² for Sr₂(Co₁.₁Mo₀.₉)O₆-δ. Additionally, in a reducing atmosphere at the same temperature, the polarization resistance for the double perovskite was 1.32 Ωcm².
Moreover, the distribution of relaxation times (DRT) analysis allowed the identification of the limiting processes in each system, determining that oxygen diffusion through the electrode is the main contributor to the total polarization resistance in both materials.
Finally, an initial evaluation of the maximum power output was conducted in a single cell with Sr₂(Co₁.₁Mo₀.₉)O₆-δ electrodes and a La₀.₈₀Sr₀.₂₀Ga₀.₈₀Mg₀.₂₀O₃-δ electrolyte in a symmetrical configuration, reaching a maximum power density of 100 mW/cm² at 800 °C. These results establish promising experimental foundations for the development of S-SOFCs operating at intermediate temperatures, with potential for further optimization in terms of performance and durability.
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