Determinación del mecanismo de transferencia electrónica en celdas de combustibles de estado sólido de nanoestructuras LA 1-x-y PrxCayMn03 sintetizadas por técnicas no convencionales

Abstract

RESUMEN: Se sintetizaron perovskitas base tierras raras, calcio y manganitas [La(1-x-y)PrxCayMnO3] con el fin de realizar una optimización en el transporte iónico-electrónico requerido dentro de las propiedades catalíticas del cátodo en una celda tipo SOFC. La síntesis se realizó por el método de microondas a diferentes estequiometrías (x = 0.3-0.7 molar) y diferentes tiempos (3, 4 y 5 minutos). Los polvos y las pastillas fueron caracterizados por DRX, XPS, TGA, MEB y BET. Se prensaron los polvos para obtener pastillas compactas a las cuales se les determinó el coeficiente de expansión térmica y caracterizaciones eléctricas por el método de cuatro puntas a temperatura ambiente y técnica de van der Pauw. Finalmente se realizó estudio de EIS a las pastillas LPCM/YSZ variando las temperaturas (600-800 °C), amplitud (0.06 y 0.08 V) y potenciales (0.5-1.2 V). Los resultados indican la obtención de las perovskitas en la fase ortorrómbica con ligeras diferencias entre la composición nominal y real aunque con adecuada estabilidad térmica, mostrando una relación entre el incremento en el contenido de praseodimio y las propiedades del material siendo la perovskita La0.07Pr0.63Ca0.3MnO3 la que mostró ser más compacta con un diámetro de nanopartícula menor, presentando mayor área superficial y menor tamaño de poro comparando con las otras perovskitas. En las pruebas de conductividad se determinó que la conductividad alcanzada a temperatura ambiente fue un máximo de 21.04x10-4 Scm-1 comparada con la que se obtiene al aplicar temperatura, alcanzando conductividades de 20x10-3 Scm-1 a 800 °C requiriendo por tanto una menor energía de activación. Se determinó que las condiciones óptimas de funcionamiento para este tipo de celdas se presentan cuando se tiene una menor resistividad y una mayor conductividad, alcanzándose esta condición a 800 °C a 1.2 V y 0.08 V para perovskitas con un contenido Pr0.35 y Pr0.52 respectivamente y para Pr0.63 fue de 800 °C a 0.6 V y 0.08 V de amplitud permitiendo el paso de los electrones al sistema electrolito- interfase YSZ/LPCM- LPCM. ABSTRACT: In this research project rare earths, calcium and manganites based perovskites [La(1-x-y)PrxCayMnO3] were synthesized in order to improve the ionic- electronic transportation required within the catalytic properties of the cathode in a SOFC cell. The synthesis used to obtain these perovskites was the microwave method using different Pr amounts (x= 0.3-0.7 mol) and Ca and different times of synthesis (3, 4 and 5 minutes) in order to substitute the La in the A site of the perovskite. The powder and the pellets were characterized by XRD, XPS, TGA, SEM and BET. The powders were pressed in order to obtain compact pellets that were characterized to determine their thermal coefficient and their electrical properties by 4 point technique at 25 °C and the van der Pauw technique at higher temperature. To determine the electronic transfer mechanism YSZ electrolyte were deposited by brush to the perovskite pellets and were determine their specific area by BET method and the electronic conductivity using EIS with different conditions of temperature (600-800 °C), amplitude (0.06 and 0.08 V) and potentials (0.5-1.2 V) With the microwave synthesis it was possible to obtain perovskites in an orthorhombic phase with little differences between the nominal and the experimental composition with adequate thermal stability. The results of the different characterizations showed a relation between the increase of the praseodymium content and the properties of the material. The perovskite with the largest amount of Pr (La0.07Pr0.63Ca0.3MnO3) showed that the powder presented fewer agglomerations, had a larger surface area and smaller size of nanoparticle and pore compared to the other synthesized perovskites. In the conductivity test it was determined that the conductivity increased with the temperature reaching in the case of direct current a conductivity of 0.020 Scm-1 at 800 °C requiring a less activation energy. For the EIS characterization it was determined that the best conductivity was obtained when the sample were tested at 800 °C to 1.2 V and 0.08 V of amplitude for Pr0.35 and Pr0.52 and for Pr0.63. The best conditions were at 800 °C at a potential of 0.6 V and 0.08 V of amplitude increasing the conductivity of the perovskite pellet YSZ/ LPCM.