Efecto del potencial oxidante y la adición de Nd/Pr, en la conductividad iónica de electrolitos sólidos de ceria, aleada con Gd, obtenidos por aleado mecánico

Abstract

A fuel cell generates energy as of a chemical reaction, commonly the reaction between hydrogen and oxygen yields products such as water and electrons that can be used. There exist different kinds of fuel cells and they are classified according to the type of the electrolyte such as SOFCs (Solid Oxide Fuel cells) and the IT-SOFCs (Intermediate Temperature -Solid Oxide Fuel Cells) that it characterize for having high operation temperature between 500 to 800 °C. One of the most interesting material for the electrolytes in IT-SOFC, is the doped ceria. At the present project, Gd-Doped ceria electrolytes were prepared by mechanical alloying (MA), starting from the oxides of CeO2 and Gd2O3, and Nd2O3/Pr2O3 as co-alloying elements, whit the objectivre of analyzing the effect of the co-alloying element in the ionic conductivity. First, the base alloy 15GDC (Gd2O3 15%-CeO2 85%mol) was analyzed at various milling times; 20, 30 and 40h. A structural analysis to the powders through Rietveld refinement was carried out by monitoring the change in the lattice parameter and determining the milling optimum time. In addition to the structural analysis, the as-milling powders were analyzed by Raman micro-spectroscopy and TEM. Once it was established the optimum time for the formation of alloys, the green preforms were compacted at 550 MPa, and then dilatometric analyses were performed in order to establish a suitable sintering cycle that guaranteed high densification of the electrolytes. The electrolytes were tested by impedance spectroscopy to measure their ionic conductivity. The ionic conductivity was measure in a temperature range of 400 to 800 °C in air and reducing atmosphere (5%H2/Ar) or lower oxygen partial pressure (from 0.2 atm to 10-12 atm).

Una celda combustible genera electricidad a partir de una reacción química, comúnmente la reacción entre el hidrógeno y oxígeno para obtener como producto agua y electrones que pueden ser utilizados. Hay diferentes tipos de celdas combustible y se clasifican según el tipo de electrolito como las SOFCs y dentro de éstas las IT-SOFCs (celdas combustibles de óxidos sólidos de temperatura intermedia) que se caracterizan por tener una temperatura de operación entre 500 y 800 °C. Uno de los materiales de mayor interés para los electrolitos de las IT-SOFCs, es la Ceria dopada. En el presente proyecto se prepararon electrolitos por aleado mecánico (AM), partiendo de los óxidos de CeO2, Gd2O3 como aleante y como co-aleantes Nd2O3/Pr2O3, con el objeto de analizar el efecto del co-aleante en la conductividad iónica. Primero, se analizó la aleación base 15GDC (Gd2O3 15%-CeO2 85%mol) a diferentes tiempos de molienda; 20, 30 y 40 h. Se realizó un análisis estructural a los polvos mediante refinamiento Rietveld, para monitorear el cambio en el parámetro de red y así determinar el tiempo óptimo de molienda. Además, para complementar el análisis estructural los polvos molidos fueron analizados por micro-espectroscopia Raman y MET. Una vez establecido el tiempo óptimo para la formación de las aleaciones, se hicieron preformas en verde compactadas a 550 MPa, posteriormente se realizó el análisis por dilatometría y así, establecer el ciclo adecuado de sinterización que asegura altas densificaciones en los electrolitos. Los electrolitos obtenidos se analizaron por espectroscopia de impedancia; técnica para medir la conductividad iónica. Se midió en un rango de temperatura de 400 a 800 °C en aire y en atmósfera reductora (5%H2/Ar) o presiones parciales de oxígeno muy bajas (de 0.2 atm a 10-12 atm.