Advanced Thin Film Electrode Materials for Application in Solid Oxide Cells
La indústria energètica està actualment a la vora d'una transició cap un paradigma sostenible potenciat per les energies renovables. Entre les alternatives als combustibles fòssils, l'ús de sistemes basats en cel·les d'òxid sòlid (SOC) és un candidat prometedor. Les SOC són les tecnol...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2023 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:293579 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/293579 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Capa fina Thin film Cel·les d'òxid sòlid Solid oxide cells Celdas de óxido sólido Nanocompòsits Nanocomposites Nanocompuestos Ciències Experimentals |
| Sumario: | La indústria energètica està actualment a la vora d'una transició cap un paradigma sostenible potenciat per les energies renovables. Entre les alternatives als combustibles fòssils, l'ús de sistemes basats en cel·les d'òxid sòlid (SOC) és un candidat prometedor. Les SOC són les tecnologies més eficients de generació elèctrica i producció d'hidrogen, cosa que les fa una solució interessant per sistemes d'energia reversibles. No obstant, la seva aplicació en solucions reals es troba normalment limitada per la presència de processos activats tèrmicament, la qual cosa restringeix la seva operació al rang d'altes temperatures. Per conseqüent, aquests dispositius pateixen regularment de degradació induïda per processos tèrmics. Això fa que hi hagi un clar interès per descobrir nois materials que i) presentin activitat electroquímica millorada a baixes temperatures i ii) mantinguin el seu rendiment en el temps. S'ha demostrat que l'ús d'elèctrodes de capa fina basats en nanoestructures millora el rendiment a temperatures molt més baixes. Aquesta tesi s'ha focalitzat en el desenvolupament te materials altament funcionals basats en capa fina com a elèctrodes SOC. La investigació portada a terme s'ha dividit en tres parts principals: i) desenvolupament de nanocompòsits de La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3 (LSCrMn) i Ce0.8Sm0.2O2 (SDC) per a la seva aplicació en elèctrodes de combustible i simètrics; ii) la caracterització de les propietats funcionals de la llibreria La0.8Sr0.2MnxCoyFe1-x-yO3 (LSMCF) per aplicació com elèctrodes d'oxigen; iii) la implementació de materials d'elèctrode de capa fina en diferents arquitectures de cel·la. La primera part de la tesi cobreix el desenvolupament d'elèctrodes nanocompòsits basats en capa fina. En primer lloc, nanocompòsits cermet de Ni-Ce0.9Gd0.1O2 (NiCGO) s'han estudiat com elèctrodes de combustible. S'ha trobat un nanocompòsit dens de LSCrMn-SDC que presenta alta activitat electroquímica baix condicions tant reductores com oxidants, sense apreciació de degradació significativa. Més estudis s'han realitzat per la optimització de la microestructura, aconseguint millorar el rendiment front l'oxidació d'hidrogen. La segona part de la tesi investiga la llibreria de LSMCF per la seva aplicació en elèctrodes d'oxigen. L'LSMCF s'ha estudiat per mitjans de metodologies d'alt rendiment per la caracterització completa de les propietats estructurals i electrocatalítiques. Els resultats mostren alta cinètica de transport d'oxigen per les regions riques en Fe/Co, així com baixa energia d'activació pels compostos co-dopats. Estudis del rendiment front la degradació han mostrat un comportament d'alta estabilitat per l'LSMCF co-dopat i l'La0.8Sr0.2MnO3 (LSM), en comparació amb l'La0.8Sr0.2CoO3 (LSC) i l'La0.8Sr0.2FeO3 (LSF). A la part final de la tesi s'ha estudiat la integració de materials en capa fina per elèctrodes en dispositius SOC complets. L'ús de capes fines de La0.9Sr0.1CrO3 (LSCr) com elèctrodes simètric s'ha analitzat per mitjà de l'operació baix condicions de ciclat redox. L'ús de capes fines d'LSC i SDC en sistemes reversibles SOC s'ha estudiat baix operació en modes de cel·les de combustible i electròlisi. Finalment, la integració de materials en capa fina en micro-SOCs s'ha estudiat, aconseguint fabricar dispositius a nivell de prova de concepte sobre substrats de silici. Aquest manuscrit ofereix un estudi exhaustiu del desenvolupament de materials funcionals basats en capa fina destinats a superar les limitacions que afecten als elèctrodes de les SOC. L'ús de processos de nanoenginyeria i metodologies combinatorials per la recerca en materials es presenten com aproximacions prometedores per al descobriment de materials d'elèctrode d'alt rendiment. La integració exitosa d'aquest tipus de materials en diferents arquitectures es proposa com a validació de la versatilitat en els àmbits d'aplicació dels materials en capa fina investigats. |
|---|