Síntesis de Ce0,9Zr0,1O2 por gelificación-combustión: Influencia de las condiciones de síntesis (exposición oral)

M.G. ZIMICZ; D. LAMAS; S. LARRONDO

Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEFA), Buenos Aires

Workshop; Primer Workshop Nacional sobre celdas de combustible de óxido sólido; 2008

CINSO - CITEFA

En este trabajo se estudia la síntesis de Ce0.9Zr0.1O2 por el método de gelificación-combustión proponiendo nuevos combustibles y rutas tanto estequiométricas como no-estequiométricas. El objetivo es evaluar el efecto que tienen las condiciones de síntesis en la morfología, la estructura y la actividad catalítica del sólido estudiado. Los sólidos fueron caracterizados utilizando técnicas de difracción de rayos-X (XRD), fisisorción de nitrógeno, análisis elemental de carbono, hidrógeno y nitrógeno, microscopía electrónica de barrido (SEM) y ensayos catalíticos. Se realizaron síntesis utilizando glicina, lisina o alanina como combustible en relación estequiométrica. Además, se hicieron síntesis no estequiométricas con glicina como combustible. Luego del proceso de gelificación y combustión espontánea del gel, se realizó una etapa posterior de calcinación en aire a dos temperaturas 350 y 600°C, con el fin de observar la estabilidad morfológica de los sólidos obtenidos. Los procesos de síntesis presentaron diferencias. La glicina y la alanina produjeron soluciones homogéneas, límpidas, no observándose precipitación en ninguna de las etapas. La combustión estequiométrica con glicina procedió con menor vigor, y se observó la formación  progresiva de una espuma en los instantes finales de la combustión. El aumento de la proporción glicina/metal produjo combustiones de mayor violencia. En particular, la combustión con glicina en una relación glicina/metal de 3/1 mostró una combustión que generó llama en todo el material. En los otros casos, el desarrollo se produjo a partir de un punto desde el cual avanzó sobre el resto del material. Los polvos obtenidos después de la calcinación fueron de coloración amarilla clara. Cuando el combustible utilizado en la síntesis fue lisina, la solución inicial poseía una ligera turbidez, la cual fue incrementándose con el aumento de la temperatura de la solución. La combustión tuvo lugar en varias etapas, involucrando en una primera instancia una parte del material, produciéndose luego pequeñas combustiones en la base del material. A diferencia de todas las síntesis anteriores, el polvo obtenido luego de la combustión presentaba un color amarillo fuerte. Los estudios XRD mostraron sólidos con estructura tipo fluorita, tamaño de partícula nanométrico y homogeneidad en la composición. Además, los ensayos de análisis elemental mostraron contenidos despreciables de carbono, nitrógeno e hidrógeno luego de la etapa de calcinación indicando que este tratamiento elimina en forma eficiente los productos residuales que se forman durante la combustión espontánea del gel. Se comprobó que siguiendo la ruta estequiométrica, los tamaños de cristalita obtenidos son considerablemente menores en comparación con los obtenidos por la ruta no estequiométrica y, además, que el tamaño de cristalita no varía apreciablemente cuando la temperatura de calcinación se incrementa de 350 a 600°C, posiblemente por el bajo grado de aglomeración de los polvos obtenidos. Los ensayos catalíticos mostraron que todos los óxidos son activos para la oxidación total de metano a temperaturas cercanas a los 500°C, detectándose CO2 y H2O como únicos productos. Si bien en todos los casos la conversión aumenta con el incremento en la temperatura, los sólidos sintetizados por las rutas estequiométricas con glicina y con alanina mostraron el mejor desempeño catalítico, obteniéndose conversiones cercanas a 100% a temperaturas menores a 800ºC. En las fotografías SEM de estos sólidos puede observarse una estructura muy porosa que ofrece una gran superficie de contacto con la mezcla reaccionante. Estos sólidos serán ensayados en ánodos de celdas de combustible de óxido sólido operadas por oxidación directa de metano (sin reformado interno con vapor agua).