Nanomateriales de CuO-NiO/CeO2-ZrO2-Sc2O3 para su aplicación como ánodos de celdas de combustible IT-SOFC operadas con hidrocarburos

D.G. LAMAS; S.A. LARRONDO.; TOSCANI, L.M.

Encuentro; XIX Encuentro de superficies y materiales nanoestructurados NANO 2019; 2019

El desarrollo de celdas de combustible de óxido sólido que operen a temperatura intermedia (IT-SOFCs) ha despertado el interés en la investigación en el área de materiales cerámicos que presenten elevada resistencia a la formación de carbono cuando se utilizan hidrocarburos como combustibles. En este contexto, el CeO2 ha sido ampliamente estudiado por su capacidad de intercambiar oxígeno de manera reversible en atmósferas oxidantes y reductoras debido a la presencia de la cupla Ce4+/Ce3+. El agregado de ZrO2 a la red del CeO2 ha mostrado ser beneficioso debido a que se minimizan los efectos del sinterizado y a su vez se logra una mejora en las propiedades redox y en la actividad catalítica para la oxidación de hidrocarburos [1]. El objetivo del presente trabajo es entonces evaluar los efectos del agregado de Sc2O3 al sistema CeO2-ZrO2 en el comportamiento redox y la actividad electrocatalítica en atmósfera de metano. Se espera que la incorporación de este dopante aliovalente mejore la conductividad iónica y las propiedades redox del material por generación de vacancias de oxígeno en la red cristalina. Se sintetizaron soportes cerámicos con las siguientes composiciones: Ce0,9Zr0.1O2 y Ce0,9Sc0.04Zr0.06O1.98, denominadas CeZr y CeZrSc4 por el método de complejación de cationes con ácido cítrico [2]. Se realizó una caracterización morfológica, textural y redox de las muestras utilizando difracción de rayos-X (DRX), microscopía electrónica de barrido (SEM) y reducción a temperatura programada (TPR) utilizando la técnica de espectroscopia de absorción de rayos X in-situ (XANES). La fase activa de CuO-NiO fue incorporada al soporte mediante la técnica de impregnación incipiente para obtener cermets de composición: 30 %m/m CuO-30 % m/m NiO/40 %m/m (CeZr ó CeZrSc4) y su comportamiento redox caracterizado por la técnica de XANES en atmósfera de metano. Finalmente, se evaluó la resistencia de polarización específica de los cermets en configuración de celda simétrica (ánodo/electrolito/ánodo) y en configuración de dos cámaras (ánodo/electrolito/cátodo) utilizando un electrolito comercial de CeO2-Sm2O3 y Pt como cátodo de referencia.Los resultados de TPR por XANES in-situ en el borde L3-Ce en atmósfera de metano diluido muestran una mayor movilidad del oxígeno en la estructura del material con Sc en su composición promoviendo la liberación de oxígeno capaz de favorecer la gasificación del carbono que pudiera depositarse sobre la superficie del material. Los resultados de los ensayos de celda simétrica indican una notoria mejoría de la performance electroquímica cuando el sistema es sometido a una atmósfera de metano en donde la formación de carbono es crítica. Esto muestra que el material de composición CeZrSc4 resulta una alternativa promisoria para su uso como soporte de ánodo de celdas SOFC operadas con hidrocarburos.