Síntesis y caracterización de circonato de Bario, dopado con cationes trivalentes como posible conductor protónico para celdas combustibles de óxido sólido

Abstract

El circonato de bario es un material con alto punto de fusión, buena conductividad iónica y estabilidad química apreciable, que lo convierten en un buen candidato para diversas aplicaciones en el campo de las cerámicas avanzadas tales como crisoles, sistemas de almacenamiento de combustible nuclear, barreras térmicas, sensor específico de gases y en particular como electrolito para celdas de combustible de óxido sólido. Atendiendo a estas propiedades se abordó el estudio de su síntesis por el método citrato amorfo a fin de obtenerlo a unas condiciones más favorables que las exhibidas por el método de síntesis convencional (método cerámico o del estado sólido), en la primera etapa de esta investigación se estudió el efecto que el pH, la relación molar metales ácido cítrico (M:AC) y la temperatura de calcinación tienen sobre la preparación de este material cerámico; el desarrollo de los experimentos se verificó por microscopía electrónica de barrido, análisis térmico diferencial, análisis termogravimétrico y difracción de rayos X. El análisis de los resultados obtenidos en esta etapa, permitió escoger las condiciones más adecuadas para la síntesis del BaZrO3. Con las condiciones de operación seleccionadas se obtuvo el circonato dopado con elementos lantánidos trivalentes (europio, gadolinio, holmio, lantano, neodimio y praseodimio), en tres niveles porcentuales de dopaje. Para la caracterización de los sólidos preparados se utilizó una batería de técnicas analíticas que incluyó la microscopía electrónica de barrido de emisión de campo, con el objeto de realizar el estudio morfológico y de composición química; la difracción de rayos X a fin de obtener la información correspondiente al estudio de fases sólidas; espectroscopias Raman, UV-Vis y de fotoluminiscencia, con el fin de obtener información sobre la naturaleza de las interacciones de los materiales sintetizados con la radiación; y por último, a los materiales promisorios se les hizo medidas de conductividad, mediante espectroscopía de impedancias (IS) con miras a evaluar su potencial uso como electrolitos en celdas de combustible de óxido sólido.

Abstract. Barium zirconate is a material with high melting point, good ionic conductivity and a significantly chemical stability, turning it a good candidate for many applications in the field of advanced ceramics such as crucibles, storage systems of nuclear fuel, thermal barriers, specific sensor of gas and in particular as electrolyte for solid oxide fuel cell. Because of these properties the study of its synthesis was started through (using) the amorphous citrate method to obtain it in a more fair conditions than those exhibited by the conventional synthesis method (ceramic method or solid state method), in the first stage of this research the effect that pH, citric acid metal molar ratio (M: AC) and the calcination temperature have on the preparation of this ceramic material was studied, the development of the experiments was verified by scanning electron microscopy, differential thermal analysis, thermogravimetric analysis and X-ray diffraction. The analysis of the obtained results in this stage, allowed to choose the most suitable conditions for the synthesis of BaZrO3. With the selected operating conditions was obtained zirconate doped with trivalent lanthanide elements (europium, gadolinium, holmium, lanthanum, neodymium and praseodymium), in three levels of doping percentage. For characterization of the prepared solids a battery of analytical techniques including field emission scanning electron microscopy was used, in order to perform the morphological study and chemical composition; the X-ray diffraction to obtain the information for the study of solid phases, Raman spectroscopy, UV-Vis and photoluminescence, in order to obtain information on the nature of the interactions of synthesized materials with radiation, and finally to the promising materials were askd conductivity measurements through impedance spectroscopy (IS) in order to assess its potential use as electrolytes in fuel cells of solid oxide.