Caracterización de la Cinética de formación de composites CeO2-Ni-Nio por microscopía electrónica de barrido

A.A.QUIROGA; P.A. TROYÓN; D.A.WILBERGER; M.CORTE; M.R. ESQUIVEL

Argentina

Congreso; 4to Congreso Argentino de Microscopía SAMIC 2016; 2016

Asociación Argentina de Microscopía

La cinética de formación decomposites metal/óxido en aire define un sistema de reacción complejo. Estossistemas presentan interesantes propiedades de condución iónica y electrónicaque los hace especialmente versátiles en aplicaciones asociadas a catálisis ypurificación de gases Las etapas de formación del composite están asociadas ala descomposición térmica del intermetálico utilizado como precursor y a laoxidación preferencial de los elementos constituyentes. Aquéllas estándescritas por las siguientes ecuaciones globales: Ce*Ni5 = Ce* + 5Ni(etapa endotérmica, que consiste en la rotura del intermetálico) (1) Ce* + 1/2O2 = Ce*O2 (etapaexotérmica, que conduce a la formación preferencial de este óxido) (2) Ni + 1/2O2 = NiO (etapaexotérmica, que conduce a la formación preferencial de este óxido) (3) donde Ce* representa unaaleación de lantánidos con distinto grado de sustitución de Ce (La,Nd,Pr). El objetivo de este trabajo esidentificar los productos asociados a las distintas etapas mediante lacaracterización morfológica y composicional de los reactantes y productosutilizando distintas técnicas asociadas a la microscopía SEM. La cinética delproceso descrito por las Ecs. (1-3) es estudiada por calorimetría diferencialde barrido (DSC), microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción derayos X (XRD). La reacción es estudiada en aire isotérmicamente entre 150 y 550°C, utilizándose un equipo DSC 2970 (TA Instruments). Las muestras fueronanalizadas en un microscopio FEI Nova NanoSEM 230. Los análisis por XRD fueronrealizados en un difractómetro PANalytical Empyrean utilizando la radiación CuK. En la Figura1a, se muestra una imagen de electrones secundarios utilizando un detectorconvencional Everhart-Thornley (ETD) de una muestra calentada a 160 °C de Ce*Ni5. A estatemperatura, la reacción definida por la Ec. (1) no se lleva a cabo. Este tipode imagen es usualmente utilizado como característica preponderante paradefinir las distintas etapas de la molienda reactiva. La morfología de laspartículas se asocia a la etapa de completitud con superficies afectadas porsoldadura en frío (SF) y fractura (F). En la Figura 1.b, se muestra aislada unapartícula, donde se indican con flechas blancas los efectos de SF y con flechascelestes, los efectos de F. En la Figura 2.a, se observa una muestra tratadapor DSC a 350 °C por 2 h. El grado de reacción máximo alcanzado es alfa= 0.96.La imagen fue obtenida con un detector ETD con detalles de la fractura de lapartícula original debido a la tensión inducida por la desproporción del IM(Ec. 1) seguido de la formación del Ce*O2, sobre la matriz de Ce* (Ec. 2). En la Fig 2.a, puedetambién notarse una partícula central cuya morfología es particular, por serdistinta a la generalidad que la rodea. La misma se corresponde con unremanente del intermetálico inicial sin reacionar. Esta característica secondice plenamente con el máximo alfa alcanzado (0.96 en lugar de 1.0) y lamorfología es similar a aquellas de la Figura 1. En la Figura 2.b, se observaun detalle de la superficie de una partícula utilizando un ?through-the-lenssecondary detector? (TDL). La morfología observada se asocia a la proliferaciónde protuberancias redondeadas en la superficie. La correlación morfológicaestablecida con este formato de desarrollo es acorde a la definida por unareacción de nucleación y crecimiento. En la Figura 3, se puede observar unmapeo elemental de los lantánidos sobre los productos de reacción a 600 °C. Dela observación directa y por comparación entre la imagen de la superficieobtenida por el TDL y los valores composicionales, puede deducirse la clarahomogeneidad composicional. Puede concluirse que la microscopía electrónica de barrido(SEM) es una técnica indispensable para el estudio de reacciones heterogéneassólido-gas ya que proporciona los datos complementarios necesarios para ladescripción de etapas caracterizándolas a través de la morfología y composiciónde reactivos y productos.