Síntesis y caracterización eléctrica y mecánica de BaF e1−xCuxO3−δ (X:0-0.15) en atmósferas controladas para uso en celdas de combustible de óxido sólido

Abstract

La creciente demanda de energía, la crisis climática y la necesidad de reducir emisiones han impulsado el interés en las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Sin embargo, la alta temperatura de operación presenta desafíos prácticos y aumenta los costos. En respuesta, se busca reducir las temperaturas de operación, pero esto afecta la actividad catalítica de los componentes, disminuyendo la eficiencia.

La perovskita BaFeO3−δ enriquecida con cobre, (BaFe1−xCuxO3−δ), surge como una so- lución potencial. La investigación tiene como objetivo fabricar y caracterizar este material como cátodo para SOFC, pues, a pesar de los estudios sobre sus propiedades existe una bre- cha en la comprensión de su comportamiento mecánico.

La metodología consistió en fabricar el compuesto bajo tres concentraciones distintas de cobre a través del método sol-gel y reacción en estado sólido. Cada muestra se compactó y sinterizó para ser posteriormente caracterizada. Se llevó a cabo un análisis microestructural que reveló la diferencia en tamaño de granos según el método de fabricación utilizado y la cantidad de dopaje presente. Posteriormente, una caracterización estructural permitió la ob- tención de la estructura cristalina de cada uno de los materiales. Finalmente, se aplicaron ensayos de conductividad eléctrica, expansión térmica y compresión cíclica que permitieron estudiar los efectos de la temperatura y atmósfera en el comportamiento eléctrico y elástico del material.

Los resultados obtenidos muestran que se logró sintetizar el material mediante los mé- todos sol-gel y reacción en estado sólido, obteniendo polvos homogéneos y con baja o nula presencia de impurezas. Los análisis de difracción de rayos X (XRD) confirmaron que las muestras presentan estructura hexagonal predominante, incluso tras el dopaje con Cu, sin lograr estabilizar completamente la fase cúbica como indican estudios previos. Respecto al comportamiento eléctrico, la conductividad eléctrica depende altamente de la temperatura y atmósfera. En aire y nitrógeno los materiales presentaron un comportamiento semiconductor seguido de un mecanismo metálico de conducción a temperaturas más altas. En los ensayos de expansión térmica se constató que el dopaje con Cu incrementó el coeficiente de expan- sión térmica en comparación a la muestra sin dopar, lo que sugiere un ajuste del dopaje para minimizar impactos negativos en la estabilidad dimensional del material. Respecto al comportamiento elástico del material, se observó principalmente un comportamiento elástico no lineal con presencia de histéresis y deformaciones remanentes influenciado en gran medida por la atmósfera de medición.