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Abstract

Una SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) o pila de combustible de óxido sólido, es el tipo de pila de hidrógeno más eficiente actualmente. Normalmente, su temperatura de trabajo se encuentra entre los 600 ºC y 1000 ºC, lo cual conlleva un problema de estabilidad termoquímica de los componentes y sus interfases, que acaba derivando en una disminución de la efectividad y duración de la celda. Una posible solución que se está estudiando en el ICMA, en el grupo de Procesado y Caracterización de Cerámicas Estructurales y Funcionales (grupo de investigación dentro del cual se va a realizar este proyecto), es sustituir el material del electrolito que se utiliza actualmente, la YSZ (circona estabilizada con itria), por nuevos materiales de tipo oxiapatita, los cuales presentan mejores valores de conducción de los iones de oxígeno a temperaturas intermedias, lo que permitiría bajar el punto de operación del sistema al rango de los 700 - 800ºC. Sin embargo, estos materiales presentan importantes limitaciones en su procesado, debido fundamentalmente a su difícil densificación, lo que hace necesario un estudio minucioso de su proceso de sinterización. En este proyecto se estudiarán dos oxiapatitas en concreto: La9.67Si6O26.5 y La9.67Si3Ge3O26.5 El objetivo principal de este proyecto es fabricar una pila microtubular soportada sobre ánodo con este nuevo tipo de material. Para ello habrá que: 1. Sintetizar las oxiapatitas, realizando las mezclas, moliendas y tratamientos térmicos adecuados, comprobando después su cristalinidad mediante difracción de rayos X y espectroscopia Raman así como sus propiedades de conducción iónica mediante espescroscopia de impedancias (EIS). 2. Caracterizar y optimizar la morfología del polvo de los compuestos obtenidos para su posterior utilización en la fabricación de las pilas. Para ello, se estudiará la distribución del tamaño de partícula, se realizarán ensayos de dilatometría para determinar las temperaturas de sinterización del electrolito y por último, se realizarán ensayos de reología de las suspensiones para optimizar el proceso de dipcoating por el que se depositarán el electrolito y el cátodo sobre el ánodo. 3. Una vez optimizados los parámetros, se fabricarán los ánodos de NiO y oxiapatita, mediante CIP (prensado isostático en frío). Posteriormente,se depositará el electrolito sobre el ánodo mediante la técnica de dipcoating y por último, se depositará el cátodo (mezcla de Pr2NiO4 y oxiapatita) sobre el electrolito. La integración entre las diferentes capas que la componen , así como los espesores de cada una de las fases, se estudiará mediante técnicas de microscopia óptica y de barrido (SEM). 4. Finalmente, si la integración de las multicapas resulta ser adecuada, se realizará la caracterización electroquímica mediante el control del voltaje a circuito abierto (OCV), medidas de las curvas intensidad-voltage (I-V). El objetivo global de este proyecto es que el estudiante adquiera los conocimientos necesarios para trabajar en un laboratorio de fabricación y caracterización de materiales cerámicos. Poblador Cester, Samuel; Orera Utrilla, Alodia; Laguna Bercero, Miguel Ángel

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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera CARACTERIZACIÓN, INTEGRACIÓN Y COMPORTAMIENTO DE NUEVOS MATERIALES TIPO OXIAPATITA EN UNA PILA DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO MICROTUBULAR Autor Samuel Poblador Cester Directores Alodia Orera Utrilla Miguel Ángel Laguna Bercero Ponente Patricia Beatriz Oliete Terraz Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos Escuela de Ingeniería y Arquitectura. Universidad de Zaragoza 2014      ProyectoFindeCarrera IngenieríaIndustrial  CARACTERIZACIÓN,INTEGRACIÓNY COMPORTAMIENTODENUEVOS MATERIALESTIPOOXIAPATITAENUNA PILADECOMBUSTIBLEDEÓXIDO SÓLIDOMICROTUBULAR  Autor SamuelPobladorCester  Directores AlodiaOreraUtrilla MiguelÁngelLagunaBercero   Ponente PatriciaBeatrizOlieteTerraz  InstitutodeCienciadeMaterialesdeAragón DepartamentodeCienciayTecnologíadeMaterialesyFluidos ÁreadeCienciadeMaterialeseIngenieríaMetalúrgica        Caracterización,integraciónycomportamiento denuevosmaterialestipooxiapatitaenunapila decombustibledeóxidosólidomicrotubular RESUMEN Enesteproyectosehafabricadounapiladecombustibledeóxidosólido(SOFC)detipo microtubularsoportadasobreánodocondosnuevosmaterialesdetipooxiapatita, La9.67Si6O26.5yLa9.67Si3Ge3O26.5,sustituyendoelmaterialdeelectrolitoqueseutiliza actualmente,laYSZ(circonaestabilizadaconitria),loquepermitebajarelpuntode operacióndelsistemadelos1000°Calrangodelos700‐800°Cdebidoalosmejores valoresdeconduccióndelosionesdeoxígenoatemperaturasintermediasquepresenta estetipodemateriales.Paraellosehatenidoque: 1.Sintetizarlasoxiapatitas,realizandolasmezclas,moliendasytratamientostérmicos adecuados,comprobandodespuéssucristalinidadypurezamediantedifracciónderayos XyespectroscopiaRamanasícomosuspropiedadesdeconduccióniónicamediante espectroscopiadeimpedancias(EIS). 2.Caracterizaryoptimizarlamorfologíadelpolvodeloscompuestosobtenidosparasu posteriorutilizaciónenlafabricacióndelaspilas,diferenciandoaquepartedelapilaesté destinadocadapolvo,yaseaparaánodo,electrolitoocátodo.Paraello,sehaestudiadola distribucióndeltamañodepartícula,sehanrealizadoensayosdedilatometríapara determinarlastemperaturasdesinterizacióndelelectrolitoyporúltimo,sehanllevadoa caboensayosdereologíadelassuspensionesparaoptimizarelprocesodedip‐coating (recubrimientoporinmersión)porelquesedepositaelelectrolitoyelcátodosobreel ánodo. 3.Unavezoptimizadoslosparámetros,sehanfabricadolosánodos(conunamezclade NiOyoxiapatita)medianteCIP(prensadoisostáticoenfrío)yunposteriortratamiento térmicodepresinterización.Acontinuación,sehanhechomúltiplespruebasdedeposición deelectrolitosobreelánodomediantelatécnicadedip‐coatingconunposterior tratamientotérmicodesinterización.Porúltimo,despuésdeobtenerseunacorrecta integraciónentreelánodoylacapadeelectrolito,sehadepositadoelcátodo(mezclade Pr2NiO4yoxiapatita)sobreelelectrolito.Laintegraciónentrelasdiferentescapasque componenlapila,asícomolosespesoresdecadaunadelasfases,sehaestudiado mediantelastécnicasdemicroscopiaóptica(OM)yelectrónicadebarrido(SEM). 4.Finalmente,comosehalogradoconéxitolaintegracióndelasdistintascapas,seha reducidoelNiOaNimetálicoenelánododejandolapilaensuformafuncional,yseha realizadolacaracterizaciónelectroquímicamedianteelcontroldelvoltajeacircuito abierto(OCV)yconmedidasdelascurvasintensidad‐voltaje(I‐V).         Índice 1.Introducción.......................................................................................................................................................1 1.1Ámbitodedesarrollodelproyecto....................................................................................................1 1.2Objetivoyalcancedelproyecto..........................................................................................................1 1.3Pilasdecombustible................................................................................................................................2 1.4Pilasdecombustibledeóxidosólido(SOFC)................................................................................2 1.4.1Conceptosgenerales.....................................................................................................................2 1.4.2Requisitoscomunesdeloscomponentes............................................................................3 1.4.3Ánodo.................................................................................................................................................3 1.4.4Electrolito.........................................................................................................................................3 1.4.5Cátodo................................................................................................................................................4 1.4.6Problemáticaactualyvíasdesolución.................................................................................4 1.5Propiedadesdelasoxiapatitas............................................................................................................5 1.5.1Estructura.........................................................................................................................................5 1.5.2Mecanismodeconducción.........................................................................................................5 1.6Procesogeneraldelfabricadodelapila...........................................................................................6 2.Síntesisdelasoxiapatitas..............................................................................................................................7 2.1Introducción...............................................................................................................................................7 2.2Mezclaestequiométrica.........................................................................................................................7 2.3Moliendadebolas.....................................................................................................................................8 2.4Compactado................................................................................................................................................9 2.5Tratamientotérmico(síntesis)...........................................................................................................9 2.6Comprobacióndelapurezadelasíntesis......................................................................................9 2.6.1EspectroscopiaRaman................................................................................................................9 2.6.2DifractometríaporrayosX.......................................................................................................10 2.7Medidadeconductividaddelasoxiapatitas(EIS)....................................................................12 3.Procesado,caracterizaciónyoptimizacióndelospolvosdeoxiapatita...................................14 3.1Tamañoymorfologíadelpolvodeseados....................................................................................14 3.1.1Polvoparaánodo.........................................................................................................................14 3.1.2Polvoparaelectrolito................................................................................................................14 3.1.3Polvoparacátodo........................................................................................................................14 3.2Métodosdecaracterización...............................................................................................................14 3.2.1Microscopíaelectrónicadebarrido(SEM).......................................................................14 3.2.2EspectrometríadeCorrelaciónFotónica(DLS)...............................................................15 3.3Procesosdetransformaciónaplicadosalospolvos.................................................................16 3.3.1Moliendaconmortero...............................................................................................................16 3.3.2Moliendadebolas.......................................................................................................................16 3.3.3Atrición............................................................................................................................................16 3.3.4Ultrasonidosdealtaintensidad..............................................................................................17 3.4Dilatometríadeelectrolito...................................................................................................................17 3.5Densimetría...............................................................................................................................................18 3.6Pastasdeelectrolitoycátodo.Caracterizaciónreológica......................................................19 4.Fabricacióndepilas......................................................................................................................................20 4.1Ánodo.Fabricaciónycaracterización............................................................................................20 4.1.1Mezclaparaánodo......................................................................................................................20 4.1.2Preformatubular.........................................................................................................................20    4.1.3Prensadoisostáticoenfrío(CIP)..........................................................................................20 4.1.4Presinterizado..............................................................................................................................21 4.1.5Dilatometríadeánodo.................................................................................................................21 4.2Deposicióndelacapadeelectrolito................................................................................................21 4.2.1Dip‐coating.....................................................................................................................................21 4.2.2Resultadosyoptimizacióndeparámetros.......................................................................22 4.3Cosinterizado(ánodo+electrolito)................................................................................................23 4.3.1Estudiodilatométrico................................................................................................................23 4.3.2Estudiodereactividad...............................................................................................................25 4.4Integracióndelcátodo..........................................................................................................................26 4.4.1Dip‐coating.....................................................................................................................................26 4.4.2Sinterizado.....................................................................................................................................26 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC.........................................................................................27 5.1Preparacióndelaspilas.......................................................................................................................27 5.1.1Muestrasapreparar...................................................................................................................27 5.1.2Montajeentubos.........................................................................................................................27 5.1.3Montajedecontactoseléctricos............................................................................................27 5.2Montajedeequipoycaracterizaciónelectroquímica..............................................................28 5.2.1Montajedeequipo......................................................................................................................28 5.2.2Comprobacióndelaintegridadestructural.....................................................................28 5.2.3TratamientodereducciónymedidaOCV.........................................................................29 5.2.4Curvasintensidad‐voltaje.........................................................................................................30 6.Conclusiones....................................................................................................................................................31 6.1Visiónglobal.............................................................................................................................................31 6.2Conclusionesporfasesdedesarrollo.............................................................................................31 6.3Líneasfuturas...........................................................................................................................................33 Bibliografía............................................................................................................................................................34 Tabladefiguras...................................................................................................................................................35 Listadeabreviaturas.........................................................................................................................................38 A1.Pilasdecombustible..................................................................................................................................40 A1.1Reseñahistórica...................................................................................................................................40 A1.2Tiposdepilasdecombustible........................................................................................................41 A2.Oxiapatitas.....................................................................................................................................................43 A2.1Elmineraldeapatita..........................................................................................................................43 A2.2Silicatos(germanatos).......................................................................................................................43 A2.2.1Concepto......................................................................................................................................43 A2.2.2Clasificaciónestructural........................................................................................................44 A2.3SistemabinarioLa2O3−SiO2.............................................................................................................45 Anexo3.Elaboracióndemezclasypastas...............................................................................................46 A3.1Aditivosquímicosutilizados...........................................................................................................46 A3.1.1Alcoholdepolivinilo(PVA)..................................................................................................46 A3.1.2Butiraldepolivinilo(PVB)...................................................................................................46 A3.1.3BeycostatC213..........................................................................................................................46 A3.2Mezclasparaánodo.............................................................................................................................47 A3.2.1Condicionesycálculosprevios...........................................................................................47 A3.2.2Procesodefabricacióndelamezcla.................................................................................49 A3.2.3Mezclasrealizadas...................................................................................................................50    A3.3Pastadeelectrolito.............................................................................................................................51 A3.3.1Condicionesycálculo..............................................................................................................51 A3.3.2Procesodefabricacióndelapasta....................................................................................51 A3.3.3Pastasdeelectrolitorealizadas..........................................................................................52 A3.4Pastadecátodo.....................................................................................................................................53 A3.4.1Condicionesycálculo..............................................................................................................53 A3.4.2Procesodefabricacióndelapasta....................................................................................53 A3.4.3Pastadecátodorealizada.....................................................................................................54 Anexo4.Técnicasdeprocesado...................................................................................................................55 A4.1Moliendadebolas................................................................................................................................55 A4.2Atrición....................................................................................................................................................56 A4.3Compactado............................................................................................................................................56 A4.3.1Prensadouniaxial.....................................................................................................................56 A4.3.2Prensadoisostático(CIP)......................................................................................................56 A4.4Sinterizado.............................................................................................................................................57 A4.5Dip‐coating..............................................................................................................................................58 Anexo5.Técnicasdecaracterización.........................................................................................................59 A5.1EspectroscopiaRaman......................................................................................................................59 A5.2DifracciónderayosX.........................................................................................................................60 A5.2.1Concepto......................................................................................................................................60 A5.2.2Equipoutilizado........................................................................................................................60 A5.2.3Medidasrealizadas..................................................................................................................60 A5.3Microscopíaelectrónica....................................................................................................................61 A5.4EspectrometríadeCorrelaciónFotónica...................................................................................62 A5.5Dilatometría...........................................................................................................................................63 A5.5.1Concepto......................................................................................................................................63 A5.5.2Dilatómetro.................................................................................................................................63 A5.5.3Tratamientodedatos.............................................................................................................63 A5.5.4Ejemplodedilatometríasanalizadas...............................................................................64 A5.7Reometría...............................................................................................................................................65 A5.7.1Reología.Conceptoyaplicaciónenelreómetro..........................................................65 A5.7.2Equipodemedida....................................................................................................................66 A5.7.3Procesodemedida...................................................................................................................66 A5.8Espectroscopiadeimpedanciacompleja...................................................................................67  2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒7‒ 2.Síntesisdelasoxiapatitas 2.1Introducción AlolargodeesteproyectoentotalsehanrealizadotressíntesisdeLSO(referidascomo LSO.1,LSO.2yLSO.3)yunasíntesisdeLSGO.Elmétododesíntesisempleadoeselde "reacciónenestadosólidoaaltatemperatura". 2.2Mezclaestequiométrica Loscompuestosdeoxiapatitaquesevanasintetizarsondos,elLSOyelLSGO.Larelación dereactivosnecesariaparalaobtencióndeamboscompuestoseslaqueseobtienesegún lassiguientesrelacionesestequiométricas: 4.833⋅LaO6⋅SiO⟶La.󰇛SiO󰇜O. 4.833⋅LaO3⋅SiO3⋅GeO⟶La.󰇛SiO󰇜󰇛GeO󰇜O. Delaapatitacongermaniosequierenobtener10gdepolvo,mientrasquedelaquees enteramentesilicatodelantanosequierenobtener15g.Parahallarlascantidadesquese handemezclarseefectúanloscorrespondientescálculos.Enelsiguientecuadrose muestranlafracciónmolarquetienecadaóxidoconsurespectivopesomolecular,la fracciónmásicaquesedeberíamezclardecadaunosisetuvieranenestadopuroal100%, lapurezadelosóxidosquesehanutilizadoenellaboratorioylacantidaddecadaunode estosproductoscomercialesquesetienequemezclarparacumplirlarelación estequiométricaquesehaindicadoanteriormente: LSOLSGO La2O3SiO2La2O3SiO2GeO2 fracciónmolar 0.4462 0.5538 0.4462 0.2769 0.2769 pesomolecular[g/mol] 325.82 60.09 325.82 60.09 104.59 fracciónmásicapura 0.8137 0.1863 0.7612 0.0871 0.1517 purezadelpolvocomercial 0.9999 0.998 0.9999 0.998 0.9998 fracciónmásica 0.8134 0.1866 0.7611 0.0873 0.1517 masadelamezcla[g] 1510 masadecadaóxido[g] 12.2013 2.7987 7.6106 0.87291.5165 Anteriormentealamezclasedebenprepararlospolvoscomercialesquesevanautilizar. Entodaslassíntesis,elóxidodelantanosehasometidoauntratamientotérmico,enel quesecalientahasta980°Cyselemantienedurantedoshoras,conelfindedeshidratary descarbonatar,yaqueesuncompuestoaltamentehigroscópicoyqueatrapadióxidode carbonodelaireconciertafacilidad.Adicionalmente,enlatercerasíntesisdeLSO,se sometióalóxidodesilicioalmismotratamiento. Elpesadodeloscomponentesserealizaenunabalanzadeprecisión(deunadiezmilésima degramo).Inmediatamentedespuéssemuelenjuntos,exceptoenlatercerasíntesisde LSO,enlacualestuvieronpremezclándosedurante12horasenunrecipientecolocadoen unagitadorderodillosantesdelamolienda.  2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒8‒ 2.3Moliendadebolas Elmolinodebolaseselmétodomásutilizadoparalamezcladepolvoscerámicosyparala reduccióndetamañodesuspartículas.Entresusventajassedestacanlasencillezyelbajo preciodelequipo.Noobstantepresentaalgunosproblemas,elmásimportanteesla contaminaciónquesepuedeproducirpordesgastedelmediodemolienda(bolas),obien porelrecipienteenelcualseintroduceelmaterialquesevaamoler. Estatécnicapermiteobtenerunamezclamuyhomogéneaconuntamañodegrano reducido,locualfavoreceenormementeelprocesodesíntesisposterior. Entodaslassíntesisrealizadas,lamezcladelpolvoseharealizadoconunamoliendade bolasa300rpmusandocomomediolíquidoetanol.Enlasprimerassíntesis(LSGOy LSO.1)conunaduraciónde5horasyenlasotrasdos(LSO.2yLSO.3)conunaduraciónde 2.5horas. ExceptoenlaprimerasíntesisdeLSO,queseutilizóunboldecircona(ZrO2)con90bolas decirconadediámetro10mm,enelrestodelassíntesisseutilizóunboldeágata(SiO2) con90bolasdeágatadediámetro10mm.Estocorrespondealarelacióngeneral(en volumen)quesesueleemplear:1/3dematerial,1/3demediolíquidoy1/3debolas.  ElmolinoquesehautilizadodurantetodoelproyectoesunPlanetaryMonoMill PULVERISETTE6classiclinedelacompañíaFritsch[4]. Despuésderealizarselamoliendaseprocedealarecuperacióndelpolvo.Elcontenidodel bolsetransvasaaunabandeja.Tantoelinteriordebol,comolasbolas,selimpiancon etanolpararecuperarlamayorcantidad posibledepolvo,quetambiénseverteráala mismabandeja,lacual,seintroduceenun hornoaunos85°Cduranteunas3‐4horas parasusecado. Unavezevaporadotodoeletanol,elpolvose encuentraformandounaláminasecaenel fondodelabandeja.Seprocedeaunraspado paraobtenerelpolvosueltoyseguardaen unrecipienteherméticoparadificultarquela mezcladeóxidossepuedahidratar.  Figura8.Bolybolasdeágataconpolvoantesde añadiretanol p ara p rocederasumezcla‐molienda. Figura9.Boldecirconacolocadoyaseguradoenel molino p lanetarioantesdeem p ezarlamolienda. Fi g ura10.Transvasedemoliendaabande j a. 2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒9‒ 2.4Compactado Alpolvoqueseharecuperadodelamezcla‐moliendadebolas,selerealizauncompactado, elcualaportaunaaproximaciónmáselevadaentrelaspartículas,aumentandoelcontacto superficialentreellas,favoreciendo,portanto,elprocesodereacciónenestadosólidoque tendrálugardespués. Enlasdosprimerassíntesis(LSO.1yLSGO)elpolvo secompactóenformadepastillasconunaprensa uniaxial.Cadaunafueprensadaconuntroquel cilíndricode15mmdediámetroyunapresiónde5 toneladasdurante5minutos.Laspastillasteníanun espesorde1.5mmyunpesoaproximadode1.2g. Enlasdossiguientesmezclasparaobtenerlosnuevos compuestos(LSO.2yLSO.3)noseutilizólaprensa. Simplemente,enelcrisolqueseintroducealhorno paraeltratamientotérmico,elpolvofuedepositadoencapasfinas,yentrecada deposición,conunmacillo(manodemortero)deágata,sefueprensandomanualmente hastaobtenerunamasacompacta. 2.5Tratamientotérmico(síntesis) Despuésdetenerlamezcladeóxidosenunaformacompactadepolvohomogéneocon tamañodegranoadecuadoselesometealtratamientotérmicoqueproducelareacciónen estadosólidolacualsintetizalosóxidosinicialesenelcompuestodeoxiapatita buscado.Paratodaslassíntesishasidoelmismo,uncalentamientoarazónde6°Cpor minuto,hastaunatemperaturade1500°C,enlaquesehamantenidodurante4horas,y undescensohastatemperaturaambiente,tambiénaunavelocidadde6°C/min. 2.6Comprobacióndelapurezadelasíntesis Hansidodoslastécnicasutilizadasparacomprobarlapurezadelasmuestrasobtenidasy laexistenciadeotrasfasesnodeseadas:laespectroscopiaRamanyladifracciónporrayos X.EnelanexoA5seincluyemásinformaciónsobreestastécnicas. 2.6.1EspectroscopiaRaman Estatécnicaesmuyflexibleporquenohacefaltaprepararunamuestraenpolvo,pueses posiblemedirdirectamentesobrelasuperficiedelaspastillascompactadasysintetizadas. Conestatécnicaseobtieneunaresoluciónespacialdelamuestra,porloquesecomprueba suhomogeneidad.Ademáselgrupo(ProCaCef)disponedeesteequipodemedida,conla correspondienterapidezenquesepuedeobteneresta.Sinembargo,elproblemapráctico quesuponeestatécnicaesque,debidoasuextremasensibilidad,semagnificaenlos resultadosdemedidalaspequeñasimpurezasquepuedahaberenlamuestra.Enlas oxiapatitasesmuycomúnencontrarpequeñassegundasfasesdeLa2SiO5(oxiortosilicato delantano)yLa2Si2O7(sorosilicatodelantano),yaqueenelsistemabinarioLa2O3−SiO2 (veranexoA2.3)estoscompuestoscoexisten[5]. ConestatécnicaseobservóquelapurezaenlamuestradeLSGOsintetizadoeramuy elevada,esdecir,lacurvamedidaconelespectrómetroeramuyajustadaaladeuna muestrapura,mientrasqueenlamuestraquesemidiódeLSO.1,aparecíareflejadaenla curvalaexistenciadeunafasenodeseada,comosepuedeobservarenlafigura12. Figura11.Pastillareciénprensada adheridaaltroquellistaparasuextracción. 2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒10‒  SesupusoquelafasenodeseadaobservadaenLSO.1podíaprovenirdeunareacciónno completa,porloquesevolvióasometeralcompuestoalmismotratamientotérmicootra vez,volviendoaobtenerselamismacurvademedidaconespectroscopiaRaman. Paraintentarcorregirlapresenciadetalfase,seredujeronapolvoloscompactosconuna moliendadebolasdecircona(lasmismasqueantessehabíanutilizado),sehizoun compactoysevolvióasometerauntratamientotérmicodesíntesis.Lasmedidas realizadasconRamandieroncomoresultadolapresenciaaúnmayordefasesnodeseadas, conloquesedecidesometerlasmuestrasadifracciónderayosXparalaidentificaciónde lassegundasfasesobservadas. 2.6.2DifractometríaporrayosX EstatécnicaesmenosflexiblequelaespectroscopiaRamanporquelamuestrasehade moler,peroesmuchomásprácticaalahoradeidentificarlasdistintasestructuras cristalinaspresentesenlaella. Detodoslosprocesosdesíntesisrealizadossehanpreparadomuestrasdepolvoysehan medidoconestatécnica.LaresultadosmuestranquelasíntesisLSGOesmuypura (corroborandolosresultadosobtenidosenRaman),enlaLSO.2haymuypocapresencia delafaseLa2SiO5ylaLSO.3esprácticamentepura. Enlafigura13sehanrepresentadolosdifractogramasderayosXrealizadosalasíntesis LSO.1antesydespuésdelasegundamolienda‐sintetizado.Seapreciacomoantesdeeste segundotratamientolassegundasfasesnodeseadasqueaparecíaneranLa2SiO5(picos distinguiblesen20.10°,27.25°,30.30°y31.33°),La2Si2O7(picodistinguibleen26.05°)y La2Zr2O7(picodistinguibleen28.65°)cuyospicosteníanmuypocaintensidad.Sin embargo,despuésdeestesegundotratamiento,lafaseLa2SiO5casinoaparece(solose siguenapreciandoalgodelospicosen30.30°y31.33°),lafaseLa2Si2O7desaparecepor completoylafaseLa2Zr2O7creceenormemente(elpicoen28.65°multiplicasuintensidad yapareceunnuevopicodistinguibleen33.18°). EssabidoqueestecompuestosueleaparecerenSOFCsqueusancomoelectrolitoYSZy comocátodoLSM(manganitasdelantano).Encondicionesdealtatemperaturalacircona reaccionaconellantano,apareciendoelLa2Zr2O7enelsistema[6].  Fi g ura12.Medidadees p ectrosco p iaRamandeunamuestra p ura y lasíntesisLSO.1. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 Intensidad cm¯¹ LSOpuro LSO.1 2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒11‒  Enestecaso,lareacciónhadebidodetenerlugarentreellantanopresenteenelLSOyel ZrO2quesehapodidoerosionardelasbolasdecirconautilizadasenlamolienda,cosaque erabastanteimpensable,yaquelacirconatieneunamuybuenaresistenciaala abrasión.Detodasmaneras,porprecaución,entodoelproyectoyanosevolveráautilizar enlamoliendadelasbolasnivasijanibolasdecirconaparaquenovuelvaacontaminarse enesteprocesoconZrO2.Seusaránsolamentevasijasybolasdeágata(SiO2). EsmuysignificativoobservarquelacantidaddefasedeLa2Zr2O7hacrecidomuchomás durantelasegundamolienda(semolíalaoxiapatitayasintetizada)quedurantelaprimera (mezcladeóxidoscomerciales),conloqueha debidohaberunamayorcontaminaciónde ZrO2enlasegunday,portanto,unamayor erosión.Estoesdebidoaquelaspartículasde oxiapatitatienenunaformairregularcon muchasaristascortantesysudurezaes bastanteconsiderable(lossilicatosengeneral suelenserbuenosabrasivos).Enlafigura14 semuestraunaimagentomadaconelSEMde unapartículapertenecienteaunpolvoalque selehasometidoacincohorasdemolienda de bolas. Como se puede observar, la partículatodavíaconservavariasfilosvivos despuésdeeseproceso.  Figura13.DifractogramaderayosXdelasíntesisLSO.1antesydespúesdelasegundamolienda+sintetizado 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Intensidad 2θ La2SiO5 La2Si2O7 La2Zr2O7 LSO.1 LSO.1resinterizado Figura14.PartículadeLSGOdespuésde5horasde moliendadebolas. 2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒12‒ 2.7Medidadeconductividaddelasoxiapatitas(EIS) LaespectroscopiadeimpedanciacomplejaoEIS(electrochemicalimpedancespectroscopy) esunmétodoquesebasaenlaaplicación,sobrelamuestra,deuncampoeléctricoalterno ydefrecuenciavariable.Lamagnitudmedidaeslaimpedanciadelmaterialdelamuestra ysecalculacomoelcocienteentreelvoltajeaplicadoylacorrientequecirculaporlaesta. Laimpedanciadeunmaterialrealsiempreesunamagnitudcompleja.Lacaracterística resistivadelmaterial(potenciaactivaqueabsorbe)sereflejaenlacomponenterealdela impedanciaylacaracterísticacapacitiva(potenciareactivaqueabsorbe)sereflejaenla componenteimaginaria.Lasmedidassesuelenexpresargráficamentededosmaneras distintas,conundiagramaNyquist,dondeserepresentalaimpedanciacomplejavsla impedanciareal,oconundiagramadeBodedondecadaunadeestasserepresentaen funcióndelafrecuencia.Enestosdiagramas seobservacomoadistintasfrecuenciasel material tiene distintos comportamientos debidoalosdistintosfenómenosquetiene (electrónica,iónica).Enelcasodemateriales policristalinos(elcasomáscomún),cadauno de los procesos resistivo‐capacitivo del materialsemanifiestacomounsemicírculoen eldiagramaNyquist(enestediagramalos puntosmedidosaaltafrecuenciasonlosque seencuentranmáscercanosalorigen,ylos medidosabaja,losmásalejados).Así,pueden aparecerenlosespectrosdeimpedancia variosarcosrelacionadosconeltransportede lacargaatravésdelmaterial:elprimerode ellosaaltafrecuenciaasociadoalinteriorde grano(bulk)yeldefrecuenciasintermediasa lafronteradegrano(grainboundary). Comoloqueinteresaeslaconductividad,la cualestárelacionadaconlacaracterísticaresistivadelmaterial,losvalorescaracterísticos queinteresansonloscorrespondientesalaimpedanciareal,comoporejemplolospuntos deencortedelossemicírculosdeNyquistenelejereal.Enlafigura16están representadaslasmedidasrealizadasa300°Cy800°C,quesonunclaroejemplodela formadelascurvasdemedidaaaltaybajatemperaturaylosvaloresquetoman.  Complementariamente,enelanexoA5.8sehanrepresentadotodaslascurvasobtenidas paralasdistintastemperaturasalasquehasidosometidalamuestraenundiagrama  Figura16.DiagramaNyquistdelaimpedanciamedidaaaltaybajatemperatura(valoresenΩ). 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 11.2511.5011.7512.0012.2512.5012.7513.00 −ZIm ZRe 800°C 0 100000 200000 0 100000 200000 300000 −ZIm ZRe 300°C Figura15.RepresentacióndeBodeparalas medidasrealizadasatodaslastemperaturas. 0 20 40 60 80 100 120 Z[dB] 850°C 800°C 750°C 700°C 650°C 600°C ‐100 ‐500 50 100 1E+0 1E+2 1E+4 1E+6 1E+8 Z[°] ω[rad/s] 550°C 500°C 450°C 400°C 350°C 300°C 2.Síntesisdelasoxiapatitas ‒13‒ Nyquistenescalalogarítmicaparapoderapreciartodasdeungolpedevista,yaquehay unagrandiferenciaentrelosvaloresaaltastemperaturas(laresistenciaiónicaesmuy pequeña)yabajastemperaturas(resistenciasiónicasenormes). Unavezobtenidoslosvaloresderesistencia(R)delamuestraparacadatemperatura(T), secalcularálaconductividad(σ)encadauna.Esosvaloresseajustaránporlaecuaciónde Arrhenius(dondeKBrepresentalaconstantedeBoltzmann),quetransformándolapor logaritmossepodránobtener,mediantemínimoscuadrados,laenergíadeactivación(Eσ) yelparámetropreexponencial(σ0). σesp RS⟶σσ T⋅e ⟶ln󰇛σT󰇜E K󰇛T󰇜ln󰇛σ󰇜⟶ymxn Enlasecuacionessepuedeobservarqueelvalordeenergíadeactivaciónes independientedelageometríadelamuestramedida,yqueparavaloresdeenergíade activacióninferioresseobtienenvaloresdeconductividadsuperiores. Delosdoscompuestosdeoxiapatitaquesevanautilizarenesteproyecto,elLSOyaha sidocaracterizadoporvariosestudios],asíquesimplementeseharealizadola caracterizacióndelLSGO. Losvaloresderesistenciadefronteradegrano(grainboundary)quesepueden determinarsinerrorsonloscorrespondientesalosdelasmedidasrealizadasaaltas temperaturas,aunqueseobservanunosvaloresmayoresalosesperados,posiblemente ocasionadosporalgúnprocesodeelectrodo.Ademástambiénseobservauncambiode comportamientoenlosvaloresderesistenciadegrano(bulk)entrelasmedidasaaltas temperaturayaintermedias(algohabitualenconductoresiónicos).Portanto,sehan representadoyajustado(verfigura17)endosrangos.Teniendoencuentasólolas medidasrealizadasatemperaturaselevadas(850°Ca650°C)seobtienenunosvaloresde Eσ=0.805eVyσ0=3.45·104Ω¯¹·cm¯¹,mientrasqueparaelajusterealizadoenelrangode temperaturasbajas(600°Ca300°C),seobtienenlosvaloresE σ=1.208eV y σ0=6.81·106Ω¯¹·cm¯¹.    Figura17.GráficosdeArrheniusaaltastemperaturas(izquierda)yentodoelrangodemedida(derecha). y=‐9.3414x+10.449 R²=0.9934 y=‐20.084x+22.617 R²=0.9973 0 0.51 1.52 2.53 3.54 4.55 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 ln(σ·T)[Ω¯¹·cm¯¹·K] 1000·T¯¹[K¯¹] Bulk GrainBoundary y=‐14.021x+15.734 R²=0.9975 ‐10 ‐9 ‐8 ‐7 ‐6 ‐5 ‐4 ‐3 ‐2 ‐10 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 ln(σ·T)[Ω¯¹·cm¯¹·K] 1000·T¯¹[K¯¹] Bulk 3.Procesado,caracterizaciónyoptimizacióndelospolvosdeoxiapatita ‒14‒ 3.Procesado,caracterizaciónyoptimización delospolvosdeoxiapatita Dependiendodesielpolvocerámicovaaserutilizadoparafabricaruntubodeánodoosi sevaautilizarenformadepastaparalafabricacióndelelectrolitoodelcátodo,las característicasquedebepresentarsondistintas.Paraelloseleaplicarándistintosmétodos deprocesado(moliendadebolas,atriciónyultrasonidos).Paraverificarsisehalogrado adecuarelpolvocorrectamenteydecidirsisehadevolveraprocesarono,semedirála distribucióndetamañosdepartículaconunespectrómetrodecorrelaciónfotónicayse observarátantoladimensióncomolamorfologíadelosgranosdepolvoenunmicroscopio electrónicodebarrido.Además,enelcasodelpolvoprocesadoparaelectrolito,se realizarándilatometríasydensimetríasparacaracterizarsudensificación. 3.1Tamañoymorfologíadelpolvodeseados 3.1.1Polvoparaánodo Parafabricaruntubodeánodosevanautilizardospolvoscerámicos,unoserála oxiapatitasintetizadayelotroseráóxidodeníquel(ademásdealmidóndemaízcomo formadordeporo).Laspartículasdeamboscomponenteshandeserdesimilartamaño porquesino,unodelosdospodríadejaraisladoreticularmenteapartesdelotro.Todala estructuradegranodelaapatitadebeestarinterconectadaparaquelosionesO2− producidosentodoslosTPB(triplephaseboundary,puntostriplesdondetienelareacción química)delánodopuedanllegarhastaelelectrolito.Igualmente,sialgunazonadeníquel estuvieraincomunicada,nolellegaríaflujodeelectrones,conloquelosTPBdeesazona nointervendríanenelmecanismo,reduciendolaeficienciaypotenciadelapila. 3.1.2Polvoparaelectrolito Adiferenciadelánodo,quevaaserunaestructuraporosa,elelectrolitodebeteneruna porosidadprácticamentenula.Parafavorecersudensificaciónduranteelprocesode sinterizadosuspartículasdebendeserpequeñas(veranexoA4.4)demodoquepresenten unasinterizacióncaracterísticacompatibleconeltuboquehacedesoporte. 3.1.3Polvoparacátodo Elcátodoseráunamezcladeniquelatodepraseodimioconoxiapatita.Igualqueenel ánodo,todoslosgranosdeniquelatodelaestructuradelcátododeberánestarconectados paraquenohayaningunazonaquesequedesinflujoelectrónico. 3.2Métodosdecaracterización 3.2.1Microscopíaelectrónicadebarrido(SEM) ElmicroscopioelectrónicodebarridooSEM(ScanningElectronMicroscopy)permite observarladimensiónylamorfologíadelosgranosdepolvo.Ambascaracterísticasson importantestantoalahoradeconformareltubodeánodocomoalahoradela sinterización.Conestatécnicapodemosobservarademáslapresenciadeaglomeradosysi laspartículastienenunaformacercanaalaesfera(muyrecomendableparaunabuena densificación)oporsilocontrariosonirregulares. 3.Procesado,caracterizaciónyoptimizacióndelospolvosdeoxiapatita ‒15‒ 3.2.2EspectrometríadeCorrelaciónFotónica(DLS) Estatécnica,tambiénconocidacomodispersióndinámicadeluzoDLS(Dynamiclight scattering)seutilizaparamedirladistribucióndeltamañodepartículaenunasuspensión. Comomediodispersanteenlassuspensionessehautilizadoetanolconun1%de defloculanteBeycostatC213(veranexoA3.1.3)enpesodelpolvoutilizado.Paraevitar problemasdeestabilidadestassuspensionesdemedidasehicieronmuydiluidas(siempre dentrodelosparámetrosrecomendadosporelfabricantedelaparato). Comolasoxiapatitassonmaterialesnuevosquepocasvecessehanmedidoenel espectrómetroquesevaautilizar,laincertidumbreenelprocesodemedidaesunfactora tenerencuenta(respectoasuvalorabsoluto;aunquesirvenperfectamentepara compararmuestras).Paraminimizartalproblema,sehaprocedidomidiendosiempre todaslassuspensionesconidénticaconcentración,paraqueesteparámetronointroduzca unadisonanciaenlosresultados.Además,siempresehanrealizadovariasrepeticionesde medidadecadamuestrahastaqueelsoftwarequeanalizalasmedidasdelespectrómetro daunvalordeconfianzaqueseconsidereaceptable.  Enlafigura18estánrepresentadoslosresultadosobtenidosdeladistribucióndeltamaño departículaquesehanidoobteniendoduranteeltratamientoprogresivoqueselehaido realizandoalpolvodelatercerasíntesisdeLSO.Enprimerlugarseleaplicóunamolienda de12horasentrestandasconsesionesdeultrasonidosentreellas.Acontinuaciónsele sometióadoshorasdeatrición,setomaronmedidasyselevolvióasometeraotrasdos (cuatrohorasentotal).Esinteresanteobservarcomolamedidadelpolvoenestepuntoes bimodal.Elpicosituadoen0.3μmcorrespondealamediarealdetamañodelaspartículas, mientrasqueelvalordemodade6μmrepresentaeltamañomediodelosaglomerados quesehanformadoporunexcesodeatrición.Posteriormenteseleaplicaronultrasonidos quedisgregaronestosaglomerados.Enlamedidaseapreciamuybienpuesyanoaparece unadistribuciónbimodalylamediaobtenidacoincideconelvalordetamañodepartícula delamodainferioranterior(0.3μm). Enelsiguienteapartadoseexplicanconmásdetalleestosprocesosaplicados. Figura18.Medidasdeladistribucióndeltamañopartículadespuésdecadaproceso. 010 20 30 40 50 60 70 80 90 100 05 10 15 20 25 30 35 40 45 0,1 1 10 volumenacumuladodepartículas[%] volumendepartículas[%] tamañodepartícula[μm] MB(12h) MB(12h)+AT(2h) MB(12h)+AT(4h) MB(12h)+AT(4h)+US 3.Procesado,caracterizaciónyoptimizacióndelospolvosdeoxiapatita ‒16‒ 3.3Procesosdetransformaciónaplicadosalospolvos 3.3.1Moliendaconmortero Despuésdelprocesodesíntesisseobtieneuncompactodel compuesto, el cual ha de ser premolido para posteriormenteaplicarle molienda de bolas. Este preprocesadodelpolvoserealizaconunmorteroyunpilón deágata.Alserunprocesocompletamentemanual,los resultadosobtenidossuelenservariables.Elprincipal problemaesquesinoesrealizadoadecuadamente,aunquea simplevistaelpolvoparezcahomogéneoyfino,sepueden haberquedadopartículasdegrantamaño(~50μm),las cuales, con bastante probabilidad, no se reduzcan adecuadamenteenlamoliendadebolas, pudiendocausarproblemasdespuéscuando elpolvoseutiliceenlafabricacióndelapila. GraciasalSEMsepuedeobservarque despuésdeesteproceso,eltamañode partícula más grande encontrado está entornolos10μm,siendolas3‐5μmla dimensión más común, aunque se han llegado a visualizar partículas de hasta 200nm.Enlafigura21seapreciaun aglomeradocompuestoporunapartículade 5μm,otrade3μmyvariasmáspequeñas. 3.3.2Moliendadebolas Seutilizaparareducireltamañodepolvo(verpunto2.3).Paratodoslospolvosseha empleadounboldeágatacon90bolasdeágatadediámetro10mmymediolíquidoetanol. Despuésdelosresultadosobtenidos(medidasdedistribucióndetamañodepartículasy micrografíasSEM)conlasdistintassíntesisylasdiversastandasdemoliendarealizadas, sehadeterminadoqueelprocesoóptimoesuna moliendade12horas,entrestandas,entrelasque serealizarásesionesdeultrasonidosdealta intensidadalasuspensióndelamoliendapara deshacerlosaglomeradosquesehayanido agregando.Eldiámetromediodepartículase encuentraentornoalamicra,aunquesepuede encontraralgunasdehasta3μm.Elpolvo procesadoconestatécnicaeselquesevaa emplearpararealizarlamezclacerámica(junto conelóxidodeníquel)conlaquesefabricaránlos tubosdeánodo. 3.3.3Atrición Esunmétodosimilaralamoliendadebolas.Enlugardeservirsedelasfuerzascentrífugas delplatorotatorioyelgiropropiodelcontenedordelamoliendaparaimpulsarlasbolas, estassonimpulsadasdirectamenteporunosbrazossujetosaunejerotatorio.Coneste Figura20.Aglomerado de partículas de LSO despuésdeunamoliendaconmortero. Figura21.PartículasdeLSOdespuésde12 horasdemoliendaconbolas. Figura19.Morteroutilizadoen lamoliendadelos p olvos. 4.Fabricacióndepilas ‒23‒ 4.3Cosinterizado(ánodo+electrolito) Conestesinterizadocomúnsebuscalogrardosobjetivos:lacompletadensificacióndel electrolitoysucorrectaintegraciónconelánodo. 4.3.1Estudiodilatométrico Cuandoseharecubiertoeltubodeánodoconelelectrolito,desdeunpuntodevista básico,laestructuradequesetieneesuncilindroporosodeunamezcladeNiO+LSOsobre laquehayotrocilindroadheridodeLSO.Aunquecompartenestecompuesto,entérminos globales,estoscilindrosniestánhechosdelmismo"material",nitienenlamisma estructura,conloque,alahoradeaplicareltratamientotérmicoparaproducirla densificacióndelelectrolito,cadaunotendráuncomportamientodiferente;tantosupunto de máxima velocidad de densificación como su contracciónenfuncióndelatemperaturaserán distintos. Estos comportamientos individuales diferenciadosprovocaránunestadodetensiones, tantolongitudinalescomotransversales,originadopor lascargastérmicasqueaparecenalahoradeaplicarel tratamientodesinterizado.Alestartrabajandocon materialescerámicosy,portanto,frágiles,esseguro quelastensionesquesurgenprovocaránlaroturadel tuboduranteesteproceso(verfigura35). Loidealseríaqueaunatemperaturaconcreta,lascontraccionesdeambaspartesfueran idénticas.Sieltratamientotérmicoseaplicaraenestepuntocomún,noapareceríanestas tensiones,conloquenopeligraríalaintegridadestructuraldelapila.Elproblemaesque estepuntocomúnestáalejadodelpuntodedensificaciónmáximadelelectrolito(ver figura36),conloqueunsinterizadoaesatemperaturanoeliminaríacompletamentela porosidaddelacapadeelectrolito.  Paraacercarlastemperaturasdeambospuntos(subirladelpuntocomúnobajarlade máximadensificación)y,portanto,reducirlastensionesqueaparecerán,seactúadedos formas,modificandoelcomportamientodelacontraccióndelelectrolitooladelánodo.  Figura36.Curvasdecontraccióndeunánodopresinterizadoa950°Cydedoselectrolitoscon distintotamañode p artícula. ‐0.1 ‐0.08 ‐0.06 ‐0.04 ‐0.02 00.02 0.04 ‐18 ‐16 ‐14 ‐12 ‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 velocidaddeε (%) [°C−¹] ε(%) T[°C] Pre:950°C(4h)‐ε LSO.2‐ε LSO.3‐ε Pre:950°C(4h)‐Δε/ΔT LSO.2‐Δε/ΔT LSO.3‐Δε/ΔT Figura35.Pilafracturadaporcargas térmicasenel p rocesodesinterizado. 4.Fabricacióndepilas ‒24‒ Sisereduceeltamañodepartículadelpolvoempleadoenelelectrolito(verpunto3.4),se favoreceelprocesodesinterizado,conloquelacontraccióncomienzaatemperaturasmás bajas,loquesetraducegráficamente(verfigura36)enqueelpuntocomúndecontracción sedesplazaaunatemperaturamayor(de1165°Ca1215°C).Ademástalcambioprovocala aparicióndeunnuevopuntolocaldedensificacióna1380°C,aunqueelmáximoglobalde contracciónsiguepermaneciendoen1480°C,conloqueentérminosglobales,ladiferencia detemperaturaentreambospuntossiguesiendoelevada. Dadoquenosehapodidoreducirmáseltamañodepartículadelpolvodeelectrolito, habráqueintentarmodificarelcomportamientodelánodo.Sepodríainfluirsobresu tamañodegrano,haciéndolomásgrande,consiguiendoasíralentizarelprocesode sinterizado(veranexoA4.4),loqueprovocaríaquelacontracciónempezaraa temperaturasmáselevadas,aumentandoportantolacontracciónsimultánea.Elproblema esqueestonosepudorealizar,yaqueelpolvodeóxidodeníqueldelquesedisponees pequeñoynoexistemásmargenparaengrosarlaspartículasdeoxiapatita(verpunto 3.1.1). Entonces,loquesehahechoessometeraltubodeánodoadistintospresinterizadosde mayortemperaturaquedelahabitual(950°C),perosinllegara1415°C,latemperaturaa laqueelánodosinterizacompletamente(porqueánodoyelectrolitodebencontraer juntosparalograrunabuenaintegración).Sehanhechopruebasa1050°C(sincambio apreciable)ya1175°C,dondesíhayunavariaciónimportanteenelcomportamiento(ver figura37).Conestanuevacondicióndepresinterizado,elpuntocomúnsesitúaenlos 1360°C,esdecir,aestatemperaturaladiferenciadecontraccióndeambaspartes(ánodoy electrolito)vaasernula.Estoimplicaqueenunsinterizadoa1480°C(máxima densificación)ladiferenciadecontracciónserádeun3.3%(13.6%−10.3%),mientrasque conlasanteriorescondiciones(presinterizadodeánodoa950°C)eradeun6.7%(17.0%− 10.3%).Esdecir,actuandodeestamanera,sehareducidoladiferenciadedeformación (en1480°C)alamitad,conloquetambiénsereducenalamitadlastensionesque aparecenenesepunto,aumentandoportantolaprobabilidaddequelaintegridad estructuraldelapilaenelsinterizadonoseveaafectada.  Figura37.CurvasdecontraccióndelpolvodeLSOconmenortamañodepartículaydetresánodos presinterizadosatrestemperaturasdistintas. ‐0.1 ‐0.08 ‐0.06 ‐0.04 ‐0.02 00.02 0.04 ‐18 ‐16 ‐14 ‐12 ‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 velocidaddeε (%) [°C − ¹] ε(%) T[°C] LSO.3‐ε Pre:950°C(4h)‐ε Pre:1050°C(2h)‐ε Pre:1175°C(2h)‐ε LSO.3‐Δε/ΔT Pre:950°C(4h)‐Δε/ΔT Pre:1050°C(2h)‐Δε/ΔT Pre:1175°C(2h)‐Δε/ΔT 4.Fabricacióndepilas ‒25‒ UnavezquesehanoptimizadolosparámetrosdelprocesoconelcompuestoLSO,se aplicanalotrocompuestoLSGO,cuyotamañodepartículafuereducidohastaeladecuado con12horasdemoliendadebolasy3horasdeatrición. 4.3.2Estudiodereactividad Serealizaparaasegurarqueduranteelsinterizadonohahabidoreacciónquímicaentreel óxidodeníquelylaoxiapatita.Paraello,secogenmuestrasdetubosquesehanfracturado durantelaspruebasdesinterizado(entotal3muestrasde3procesosdediferenteperfil térmico)ysellevanaanalizarpordifracciónderayosX.Losresultadossonigualesenlos trescasos,esdecir,susdifractogramassesuperponenperfectamente(verfigura61,anexo 5.2.3).Enellossemuestraqueapareceotra/sfase/syaquesuspicossondistintosalos queseobtendríadelasuperposicióndelospicosdelNiOyelLSOempleadosenlamezcla. Paradeterminarconseguridadsiesafaseperteneceauncompuestoobtenidodela reacciónentreNiOyLSOoessólounasubfasedelaoxiapatita,seaplicaunprocesode sinterizadoauncompactodeLSOysellevaaanalizar.Losresultadosmuestranqueenla oxiapatitaaparecenlosmismospicosadicionales,quepertenecenalafaseLa2Si2O7(ver figura38),conloqueporunlado,seconcluyequenohahabidoreacciónentreelNiOyel LSO,yporotrolado,queenlaoxiapatitahadebidodehaberunaporteextradeSiO2para queaparezcaestafase(verfigura53,anexoA2.3).Esteaportepuedehabersidodurantela moliendadebolas(verpunto2.6.2)pordesgastedelasbolasylavasijadeágata(SiO2) utilizados.Otraposibleexplicaciónseríalaevaporacióndelantanoaaltatemperatura,la cualbajaríalaproporciónlantano/silicioenmuestraprovocandolaformacióndeLa2Si2O7.  DeigualmaneraserealizaunanálisispordifracciónderayosXalamuestradeLSGOque habíasidomedidaeneldilatómetro.Losresultadosindicanlaaparicióndeunagran proporcióndeotrasfasesnodeseadasquehacendesecharesepolvo.  Figura38.DifratogramadeunamuestradeLSO.2sometidaaunsinterizadoa1480°Cdurante2horas. Seapreciacomohayunagrancantidaddeotrafase(La2Si2O7). 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Intensidad 2θ La2Si2O7 LSO.2(síntesis) LSO.2(MB12h) 4.Fabricacióndepilas ‒26‒ 4.4Integracióndelcátodo Unavezqueseconsiguenfabricarmuestrassinterizadasdeánodoyelectrolitocuya integridadestructuralnoharesultadodañada,seprocedeaañadirleselcátodo.El procedimientoesexactamenteigualqueconelelectrolito.Primeroserealizauna deposicióndepastadecátodomediantelatécnicadedip‐coatingparaposteriormente realizarunsinterizado.Unavezobtenidalapilacompleta,laintegraciónentresuscapases observadaalmicroscopioelectrónico. 4.4.1Dip‐coating Esexactamenteelmismoprocedimientoqueelrealizadoconelelectrolito(verpunto 4.2.1)conlasalvedaddequeenelanteriorcasoeltubodeánodoeracubierto enteramenteporunacapadeelectrolito(exceptolosextremosqueestabancubiertos), mientrasqueahorasimplementesevaadepositar1cm2deárea,paranormalizarla posteriorcaracterizaciónelectroquímicadelapila.Paraellosecubriráconcintadeteflón todoeltubomenosunaseccióncentralde9.1mm(⇐radiodelapila=3.5mm). Lapastadecátodoutilizada,mezcladePr2NiO4yLSO(abreviadamentePNO‐LSO) previamentehasidocaracterizadareológicamente(verpunto3.6).Delosresultados obtenidossedeterminaqueserealizarán4inmersionesa4.5mm/s. 4.4.2Sinterizado Estesinterizadoserealizaabajatemperatura,similaralpresinterizadorealizadoalos ánodos.Eltratamientotérmicoaplicadoesde2horasa1100°Cconunasvelocidadesde subidaybajadade2°C/min.Enestesinterizadosólosebuscalauniónentrepartículas,y noundensificado,yaqueelcátododebedeserunaestructuraporosa.Deanteriores trabajosdelgrupo[7](ProCaCef)sesabequeenesteprocesonovaaexistirreactividad químicaentreelPNOyelLSO.Enlasfiguras39y40seapreciaelresultadoconseguido.     Fi g ura39.As p ectodeuna p ilades p uésdelainte g racióndelcátodo. Figura40.MicrografíasSEMdondeseaprecialacorrectaintegraciónentrelascapasdelapilafabricada. Enunapilaacabadalosespesoresdecapason:ánodo400μm,electrolito10~15μm,cátodo30μm. 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC ‒27‒ 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC ComosehaobservadoalSEMquesehalogradounacorrectaintegraciónentralas distintascapas,seprocedearealizarunacaracterizaciónelectroquímicaparaobservarsi durantesufuncionamientolapilarespondeelectroquímicamentecomodeberíaoporel contrarioaparecendeterminadosfenómenosqueindiquenquelapilarealmentetiene defectosinternos. 5.1Preparacióndelaspilas 5.1.1Muestrasapreparar Laspilasfabricadasquesevanamedirsondos,unacuyacosinterizadoseharealizadoa 1480°Cdurante2horasyotraqueentotal(seharealizadoen3tandasdesinterizado)se hacosinterizadodurante12horasa1380°C. 5.1.2Montajeentubos Lapilasevaamedirdentrodeunhornotubularenelcualsealcanzaráunaelevada temperatura.Parasuministrarunflujointernodehidrógenoyevacuarelvapordeagua generadoenelprocesoelectroquímicolapilahacefaltadisponerdeunconductoque aguantetalestemperaturas,porloquelapilasemontaentredostubosdealúmina(alos cualesestosflujosdegasesllegaránoseevacuaránmediantetubosdegomaqueestarán conectadosenelextremocontrariodondelatemperaturadetubodealúminaserála ambiente).Senecesitaunselladoqueaguantetambién talescondiciones.Paraelloseutilizaunapasta cerámicaqueseaplicaendosveces(cubrirelhuecoy luegounrepasosuperficial)conposterioressecados bajounalámparadeinfrarrojos.Porúltimo,paraque lapastasolidifique,esnecesariosometeralconjuntoa untratamientotérmicoa371°C.Duranteeste tratamientounadelaspilas(sinterizadaa1480°C)se harotoporsegundavez(verfigura41),conloqueno sevanaobtenermedidasdeésta. 5.1.3Montajedecontactoseléctricos Unavezlauniónconlostubosdealúminaestáselladaysolidificadaseprocedeamontar loscontactoseléctricos(hilosdeplatinoparaaguantarlasaltastemperaturassinoxidarse conlaatmósferaexterior).Porelexteriorunhilovaaserenrolladosobreelcátodo(ver figura42),aplicandodespuésunapinturadeplatinoquemejoraráeléctricamentelaunión yporelinterior,secolocaráunenrollamientoquepresioneligeramentelapareddel ánodoalamismaalturadondeexternamenteseencuentraelcátodo.  Fi g ura42.Contactoseléctricosmontadosenla p ila Figura41.Pilarotaduranteelmontaje. Teníaunamicrogrietainternaqueseha idoextendiendohastasurotura. 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC ‒28‒ 5.2Montajedeequipoycaracterizaciónelectroquímica 5.2.1Montajedeequipo Elconjuntodepilaytubosdealúminaseintroducenenelhornotubular.Alamismaaltura delcátodoseintroduceeltermopardelreguladorquecontrolalatemperaturadelhorno. Posteriormenteseconectanlasgomasencargadasdelflujointernodegasalostubosde alúmina,unadelascuales(ladesalida)esconectadaaunborboteador.Porúltimose conectanloshilosdeplatinoalequipodemedidaeléctricoconunasondadecuatro puntas,yaqueconestaconfiguraciónsepermitemedirlaintensidaddecorriente mediantedospuntasymedirlacaídadepotencialmedianteotrasdospuntas independientes.Estaconfiguraciónademás evitaelerrorenelvalordelamedidadela resistencia que se produce cuando se realizanlasmedidasdelaformatradicional (método de dos puntas), en la que simultáneamentealaresistenciadelapila se mide también la resistencia que presentanlasconexionesyladelpropio instrumentodemedida,queson despreciables cuando se trata de resistenciaselevadas,peronoenestecaso. 5.2.2Comprobacióndelaintegridadestructural Serealizaparaverificarquenoexistengrietasenlapilaquepuedanprovocarfugasde gasesentreelinterioryelexteriordeesta.Siestoocurrieradurantelasmedidas, hidrógenoyoxígenopodríanestarcoexistiendoenelmismoladoaunaelevada temperatura,conelcorrespondientepeligrodecombustión.Paraello,primeroa temperaturaambientesehahechopasarunflujodenitrógenoporelinteriordelapilaque secompruebaalasalidaconunborboteador.Unavez comprobadoquenohayfugasimportantes,esdecir,queenel borboteadorsehaapreciadounacorrectacantidaddeburbujas, sehacalentadoelhornotubularhastalatemperaturademedida (800°Cenestecaso).Durantetodoesteprocesoseva controlandocontinuamenteel borboteador porsi enun momentodeterminadoaparecieraunagrieta,yaquealtratarse deunhornotubularaparecengradientestérmicosensuinterior, pudiendoserestosmuyacusados.Paraintentarminimizareste hecho,lapilasecolocalomáscentradaposibleenelinteriordel horno,consiguiendoasíunatemperaturahomogéneaentodala muestra. Unavezlapilallevaunratoatemperaturademedidayseha observadoquenohayindiciosdefuga(elritmodeburbujasno hadescendido),seenciendeelelectrolizador(quevaa proporcionar el hidrógeno necesario para la medida electroquímica)ysecambiaelflujodenitrógenoporhidrógeno. Figura44.Hornotubularde medida.Detalledelinterior. Fi g ura43.Conexioneseléctricas p aramedida. 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC ‒29‒ 5.2.3TratamientodereducciónymedidaOCV Ahoraquelapilaestáa800°Cyporsuinteriordecirculaunflujodehidrógeno(atmósfera reductora)seactivaelprocesodereduccióndeNiOaníquelmetálico,segúnlasiguiente reacción: NiOH⟶NiHO EnestemomentoselanzalamedidadelpotencialdelapilaacircuitoabiertouOCV(Open CircuitVoltage).Esunamedidadepotencialeléctricoenlaqueentreambosterminalesde lapilanoexistecorrienteeléctrica(no haycargaeléctricaconectada).Enlos resultadosdeestamedida(figura45)se puedeobservarcuandotienelugarla reduccióndelóxidodeníquelaníquel metálico, ya que el comportamiento electroquímico de la pila empieza a funcionar, aumentando el potencial eléctricodemaneracontinuahastaquese hareducidotodoelóxidodeníquely,por tanto,todoelánodoestáoperativo.Enese momentolapilaalcanzasupotencial eléctricomáximo.Elvalorqueseha medidoesde0.93V,algomenorqueelteóricoesperadode1.10Vparaunatemperaturade 800°C.EstevalorteóricosedeterminaporlaecuacióndeNernstparalaecuaciónde reaccióndelapila: EERT nFlnPP  P⟺H12O⟶HO⟺HO⟶HO2e dondeE0eselpotencialdereduccióna800°C(0.98V),Tlatemperaturadelprocesoen Kelvin(1073.15°K),Rlaconstanteuniversaldelosgasesideales(8.134J/mol·K),Fla constantedeFaraday(96485.3C/mol),nloselectronestransferidosenlareacción(2), PO2lapresiónparcialdeoxígenoenlaatmósfera(0.21atm),PH2presiónparcialde hidrógenoenelinteriordelapila(0.93atm)yPH2Olapresiónparcialdevapordeaguaen elinteriordelapila(0.03atm). Alfinaldelamedidadevacíoseaprecianligerasvariacionesqueindicanquehay pequeñasfugasdehidrógenoenlapila.Estoapartesecercioravisualmenteporquela superficiedelcátodotieneunbrillomásintensodelohabitualaestatemperatura, producidosindudaporlacombustióndeunaínfimacantidaddehidrógenoenla superficiedelapila.Seguramenteestasfugasestáncausadasporqueelelectrolitoenesta pilanohadebidodensificarcompletamente(eslapilasinterizadaamenortemperatura)y estápermitiendounmicropasodegasesentreambosladosdelapila.  Fi g ura45.Medidaencircuitoabiertodela p ilaa800°C. ‐0,4 ‐0,20 0,2 0,4 0,6 0,81 0 5 10 15 20 25 30 35 E OC [V] t[min] 5.CaracterizaciónelectroquímicadelaSOFC ‒30‒ 5.2.4Curvasintensidad‐voltaje Conestascurvasvamosamedirdistintosparesdevaloresdeintensidad‐voltajeque presentalapiladurantesufuncionamiento.Conestosvaloressedeterminalapotencia quesuministra. Parallevaracaboesteanálisisseempleaundispositivo(potenciostato‐galvanostato)que escapazdesuministraralapilatantointensidaddecorrientecomopotencial.Enéste caso,eldispositivoactúacomounacargaelectrónica,permitiendoregistrarlacaídade potencialenlapilaparacadavalordeintensidadextraída. Elensayoenconcretoaplicadoesunavoltametríacíclicaenlaquesehabajadodesdeel potencialacircuitoabiertoqueproporcionalapila(0.93V)hastaelmediovoltioyluegose havueltoaascender.Comosepuedeobservarlaintensidadmedidaa0.5Vesde3.5mA, proporcionandounvalorde1.75mW.Estosvaloressonmuypequeños(valoresaceptables seríaporencimadelos200mW),indicativodequelaeficienciadelapilaespequeña,cosa queseesperabadespuésdelasmicrofugasobservadasporlaprobableexistenciade porosidadenelelectrolito.Estasfugastambiénsevenreflejadasenlagrandispersión existenteenlosvaloresmedidos.  Comprobadoquelaeficienciadelapilaesmuypequeña,notienemuchosentidoelrepetir losmismosensayosaotrastemperaturasparaverlavariacióndesucomportamientoen funcióndeésta. Despuésdeestapruebaseharealizadounamedidadeespectroscopiadeimpendancia compleja,perodebidoalasperturbacionesproducidasporlasmicrofugassehanobtenido unosresultadosconmuchoruidoenlosquenosepuedenestimarlosvalores característicos.  Figura46.Valoresdeintensidad‐voltajemedidosenensayodevoltametríacíclicaa800°C. 00.2 0.4 0.6 0.8 11.2 1.4 1.6 1.8 2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91 00.511.522.533.54 densidaddepotencia[mW·cm −2 ] ΔU[V] densidaddecorriente[mA·cm −2 ] ΔU Potencia 6.Conclusiones ‒31‒ 6.Conclusiones 6.1Visiónglobal Elprincipalobjetivodeesteproyectoeralograrlafabricacióndeunapiladecombustiblede óxidosólido(SOFC)detipomicrotubularsoportadasobreánodocondosnuevos materialesdetipooxiapatita,LSOyLSGO,sustituyendoelmaterialdeelectrolitoquese utilizaactualmente,laYSZ,loquepermitebajarelpuntodeoperacióndelsistemadelos 1000°Calrangodelos700‐800°Cdebidoalosmejoresvaloresdeconduccióndelos ionesdeoxígenoatemperaturasintermediasquepresentaestetipodemateriales. Esteobjetivosehacumplidoyaquesehalogradoobtenerpilasconunabuenaintegración entrelasdistintascapasquelacomponen(ánodo,electrolitoycátodo)yademásunade ellassehapodidocaracterizarelectroquímicamente.Paralograrestehecho,sehantenido queirdeterminandolosparámetrosnecesariosyadecuadosparalafabricacióndeesta pilamediantenumerosaspruebas,medidasyobservaciones.Hayciertosparámetrosque puedensermejoradosydeberíanserestudiadosconmásdetalle,peroesocorrespondea unfuturoprocesodemejora. Comocuestiónrelevante,mencionarquepartedelosresultadosconseguidoseneste proyectosehanutilizadoenunproyectodeinvestigaciónamayorescalaypresentadosen uncongresosobreestosnuevosmaterialesdeoxiapatitaysuutilizaciónenSOFC: Proyecto: NUEVOSPROCEDIMIENTOSDEPROCESADODEMATERIALESPARALAFABRICACIONDE PILASDECOMBUSTIBLEYELECTROLIZADORESDEOXIDOSOLIDO(MAT2012‐30763) Congreso: AUTHORS:A.Orera,J.Silva,M.A.Laguna‐Bercero,S.Poblador,R.I.Merino TITLE:SymmetricalcellsofPr2NiO4+donelectrolyteswiththeapatite‐typestructure. FabricationofMicrotubularApatite‐basedSOFC TYPEOFPRESENTATION:Poster CONGRESS:H2FCSUPERGEN MEETINGPLACE:Birmingham(UK) YEAR:2013(December16‐18) Paraestructurarlamemoriadeesteproyectoendistintosapartadossehahechouna divisiónporbloquessecuencialessegúnelprocesodefabricacióndeunapila,perocomo enesteproyecto,loqueserealizaesunadeterminacióndelosparámetrosycondiciones parasufabricación,todaslaspartesestáninterrelacionadas,yaquedefectosqueaparecen enelúltimoestadiodefabricaciónpuedenestarrelacionadosconlospasosinicialesde esta.Enelsiguienteapartadoseexponenlasconclusionesobtenidasencadafasede desarrollodelprocesodefabricacióndelapilaysusposiblesimplicacionesfuturas. 6.2Conclusionesporfasesdedesarrollo  Sehallevadoacabolasíntesisdedoscomposicionesdeapatita,LSOyLSGO,con elnecesarioniveldepurezadecaraasuaplicación 6.Conclusiones ‒32‒ o Durantelaspruebasdesíntesisseobservóqueelresultadoeraigualde satisfactoriosilospolvosdelosóxidosreactivossecompactaban manualmenteenelcrisolqueibaaserintroducidoenelhornoenlugarde serprensadosenpastillasuniaxialmente,locualsuponeunahorro significativoeneltiempoinvertido(devariashorasaunos30‐40minutos). o Tambiénduranteestafaseseobservóelcarácterabrasivodelas oxiapatitas,descubriendoqueexistedesgastedeloselementosde moliendausandobolasyvasijadecircona(materialmuyresistenteala abrasión).Asímismo,laobservaciónalmicroscopioelectróniconos mostrabaunaconsiderablecantidaddepartículasquedespuésdevarias horasdemoliendaseguíanconservandofilosvivos,loquehacepatentela necesidaddeprocesosdemoliendaexhaustivos.  Sehaconseguidolaadecuacióndelpolvocerámicofabricadoenlafaseanterior deacuerdoconlaaplicaciónalaqueestádestinado.Así, o Sehadeterminadoqueeltamañodepartículadepolvodeoxiapatitaque mejorseadaptaalpolvocomercialdisponibledeNiO(paralafabricación detubosdeánodo),selograprocesándolocon12horasdemoliendaen trestandas,entrelasqueserealizansesionesdeultrasonidosdealta intensidadquedeshacenlosagregadosdelatandaanterior,impidiendo quecrezcanenlatandasiguiente.Enelpolvoqueserealizólamoliendasin ultrasonidosintermediosseobservaronagregadosmásgrandesque podíanocasionardefectospuntualesconsiderables. o Decaraalafabricacióndelelectrolito,sehacomprobadoquelareducción máximadetamañodegranoquesepuederealizaraunpolvodeoxiapatita (conlosmétodosmecánicosempleados),alcualpreviamenteseleha aplicadounamoliendade12horas,esconunprocesodeatricióndetres horas.Apartirdeesemomento,laspartículasnosereducenypasana formaragregados.Hayquerecordarqueunpolvofinoesindispensable paralograrunabuenadensificacióndelelectrolitoduranteelsinterizado yaquelasdimensionesdeunapilasonreducidas,ylaaparicióndeun agregadode10μm,quepuedeseralgoposible,tienelamismadimensión queelespesordelacapadeelectrolito(10‐15μm),conlasimplicaciones queelloconlleva.  Sehallevadoacaboconéxitoladeposicióndecapasdelgadasdeelectrolitosobre ánodosmicrotubulares. o Medianteelestudioreológicodelasdistintaspastasdeelectrolito realizadas,diversaspruebasdeimpregnaciónporinmersión(consu sinterizadoposterior)ylaobservacióndelosresultadostantoal microscopioópticocomoelectrónico,sehacomprobadoquelatécnicade dip‐coatingesadecuadaparaestetipodepolvo,yquerealizarunasola inmersiónconlaextraccióndelamuestraaunavelocidadde3mm/s proporcionaelespesordecapadeelectrolitodeseado.  Sehaestudiadolacosinterizacióndelasdistintascapasdelapila,alcanzándose unacorrectaintegracióndelasmismas.    ANEXOS  Anexo1.Pilasdecombustible ‒40‒ A1.Pilasdecombustible A1.1Reseñahistórica En1838enSuiza,ChristianFriedrichSchönbeinpublicabaelprincipiodefuncionamiento delacéluladecombustible,lapropiedadcatalíticadelplatinoenlareacciónentreel hidrógenoyeloxígeno.En1839,SirWilliamGrovediseñó unexperimentoqueconsistíaenunirenserievariasceldas electroquímicas,cadaunadelascualesestabacompuesta porunelectrodoconhidrógenoyotroconoxígeno, separadosporunelectrolito.Grovecomprobóquela reaccióndelhidrógenoenelelectrodonegativocombinada conladeloxígenoenelpositivogenerabaunacorriente eléctrica,aunqueparaqueestofueraposibletuvoque construirunapilacon26celdasparatenerlasuficiente superficiedecontacto.[7] BaurandPreis,en1937,empezaronadesarrollarlaspilasdecombustibledeóxidosólido porlanecesidaddeteneruntipodepilasdecombustibleconunelectrolitomásmanejable quelasdeelectrolitodesalesfundidas,queeranlas quesehabíanestadodesarrollandoaprincipiodel sigloXX.Sebasaronenlallamada“masaNernst”,un compuestode85%decircona(ZrO2)yun15%de itria(Y2O3),queWilhelmNernsthabíaestado investigandoen1899.En1951,Hundconfirmócon cristalografíaderayosXlaexistenciadevacantesdel ionóxidoenelmaterialdeNerst[8].Enlaactualidad, 75añosdespuésdeaquelprimerprototipo,laspilas decombustibledeóxidosólidosiguenteniendoel mismocompuesto,lacirconaestabilizadaconitriao YSZ(YttriaStabilizedZirconia),comoelmaterial másutilizadoenlacomposicióndesuselectrolitos. Eldesarrolloindustrialefectivodelaspilasdecombustiblenose diohasta1959,cuandoelingenierobritánicoFrancisThomas Bacon desarrolló con éxito una de tipo alcalino con un funcionamientoestacionarioquepermitíaaccionarunamáquina desoldadura.Estasuministraba5kilowatios,estabacompuesta decuarentaceldasyteníaunaeficienciadel60%.En1960el programaespacialdelaNASAdecidióemplearlasenlasmisiones GéminisyApolo[9].Apesardeléxitoenestosprogramas espaciales,estossistemasselimitaronaaplicacionesespeciales, dondeelcostenoesunproblema. Nofuehastaelfinaldelosaños80yprincipiosdelos90quelas pilasdecombustibleseconvirtieronenunaopciónrealparaunusomásamplio.Varias innovacionesquepermitieronlareduccióndelacantidaddeplatinopresenteenel Figura47. Ilustracióndecuatrode lasceldasdelexperimentodeGrove. Figura48. PropuestadeBauryPreispara larealizaciónunapiladecombustiblecon la“masaNernst”comoelectrolitosólido. Figura49. ApolloCSM‐ 102 Anexo1.Pilasdecombustible ‒41‒ catalizadoryelectrodosdepelículafina,hicieronbajarsucostedefabricación, permitiendoqueeldesarrollodeciertostiposdesistemas,comolosdemembrana polimérica,conaplicacionescomercialescomoparaautomóviles,comenzaraaserrealista. Hoyendíanospodemosencontrarconunagranvariedadcomercialdepilasde combustiblequealimentanordenadoresportátiles,bicicletaseléctricas,coches,autobuses, sistemasgeneradoresparaedificios… A1.2Tiposdepilasdecombustible Apesardequetodassebasanenunatecnologíasimilar,existengranvariedaddepilasde combustible.ElproyectosehacentradoenlasSOFCperoacontinuaciónsedetallanotros tipos: Pilasdecombustiblealcalinas(AFC):Estetipodepiladecombustibleoperaa temperaturastípicamenteentre60y100⁰C.Secaracterizanportenerunelectrolito líquido,generalmenteformadoporunadisolucióndeKOHypuedenutilizarcomo catalizadorunaampliavariedaddemetalesnomuysofisticados.Comodesventajas presentansualtocosteyunaelevadasensibilidadalenvenenamientoporCO2. Pilasdecombustibledeácidofosfórico(PAFC):Secaracterizanportenerunelectrolito líquidodeácidofosfóricoyelectrodosporososdecarbonoconplatino.Operana temperaturarelativamentebaja(150–200⁰C),perosonpesadasyvoluminosas comparadasconotrostipos,porloqueselasutilizageneralmentecomodispositivos estacionariosoparapropulsarbarcos.PresentanunasensibilidadmenoralCO2en comparaciónconelrestodepilas. Pilasdecombustibledemembranadeintercambioprotónico(PEMFC):Se caracterizanportenerunelectrolitopoliméricoatravésdelcualseintercambianlos protones.Setratadeunapiladecombustibledebajatemperatura,entornoa80⁰C,porlo quelasreaccionessonmuylentas,requiriendoelusodecatalizadoresmuysofisticadosy dealtopreciocomoelplatino.Adicionalmenteestetipodepilaspresentaunaespecial sensibilidadalenvenenamientoporCO,porloquerequierenH2deelevadapureza. Existendiseñosenlosquesealimentaconmetanolyéstesereformadirectamenteenel interiordelapilaparaproducirelhidrógenoquevaaserconsumido.Éstaspilasreciben tambiénelnombredepilasdecombustibledemetanoldirecto(DMFC)ytienengran interésparaaplicacionesportátiles. Pilasdecombustibledecarbonatosfundidos(MCFC):Estetipodepilasdecombustible secaracterizaportenerunelectrolitoformadoporsalesdecarbonatofundidas.Setrata depilasdecombustibledealtatemperatura600–700⁰Cloquepermitetrabajarcon catalizadoresbaratosenlugardeplatino,lesconfiereunaaltaeficienciaylashacemenos susceptiblesalenvenenamientoporCO.Porotraparte,tienenunadurabilidadlimitada debidoalacorrosióndesuscomponentesytienentiemposdepuestaenmarchalargos. Enlasiguientetablaseresumenlascaracterísticasdelosdistintostiposdepilas explicadosysecomparanconlascaracterísticasdelasSOFC:  Anexo1.Pilasdecombustible ‒42‒  AFC  PAFC PEMFCMCFCSOFC ElectrolitoHidróxidode potasio Ácidofosfórico Membrana polimérica Carbonatos fundidos Cerámica Portadorde car g ahabitualOH‐H + H+ (CO3) 2 O 2 ‐ ElectrodosNi,Ag,metales nobles Pt ‐C Pt ‐C N i Ni‐YSZ Tªtípicade operación60‐100⁰C 200⁰C 80⁰C 600‐700⁰C 500‐1000⁰C Eficiencia 45‐60% 35‐40% 40‐60% 45‐60% 50‐65% 85%(cogene) Posibles aplicacionesSubmarinos, espacio,militar Ge n er a c ión estacionaria y po rtá til Vehí c ulos , ge n er a c ión estacionaria y po rtá til Generación estacionaria Generación estacionaria Tablaresumendelosdistintostiposdepilasdecombustibleysuscaracterísticas.  Anexo2.Oxiapatitas ‒43‒ A2.Oxiapatitas A2.1Elmineraldeapatita Lasapatitasconvencionalespertenecenalgrupodelosmineralesfosfato,más concretamentealdelosortofosfatos.Lasformasmáshabitualesson:hidroxiapatita, fluorapatitaycloroapatita,denominadasasíporlasaltasconcentracionesdelosiones OH‾,Cl‾yF‾,respectivamente,enelcristal.Lafórmuladelaceldaunidaddelcristales: Ca󰇛PO󰇜X⟶XOH,F,CL Enlafigura50[10]semuestralacoordinacióndetodoslosátomosenlaestructura cristalinadelafluorapatita,lacualesidénticaaladelasoxiapatitasutilizadaseneste proyecto(conelcorrespondientecambioatómico:PO4→SiO4,Ca→La,F→O).   A2.2Silicatos(germanatos) Losgermanatos,mineralogísticamente,estánincluidosdentrodelgrupodelossilicatos porformarestructurascristalinasmuyparecidasaestos,yaquesuunidadbásica,el tetraedro(GeO4)4−tienepropiedadesmuysimilaresconlaunidadbásicadelossilicatos. A2.2.1Concepto Lossilicatossonmaterialescompuestosprincipalmenteporsilicioyoxígeno,losdos elementosmásabundantesenlacortezaterrestre.Launidadbásicadelossilicatosesel tetraedro(SiO4)4−,elcualestáformadoporunátomodesilicio(Si4+)enelcentrounidoa cuatroátomosdeoxígeno(O2−)localizadosenlasesquinasdeltetraedro.LosenlacesSi−O tienenunsignificativocaráctercovalente,siendodireccionalesyrelativamentefuertes, característicaporlacualamenudolossilicatosno sonconsideradosiónicos. Figura50.Estructuracristalinayceldaunidaddelmineraldefluroapatita. Anexo2.Oxiapatitas ‒44‒ IndependientementedelcarácterdelenlaceSi−O,existeunacargaeléctrica−4asociada concadatetraedro,puestoquecadaunodeloscuatroátomosdeoxígenorequiereun electrónextraparaalcanzarunaestructuraelectrónicaestable. Estaspropiedadesprovocanquelaunidadbásicadelossilicatos,eltetraedro(SiO4)4−,se considereunaentidadcargadanegativamente,yenlugardecaracterizarlasestructuras cristalinasdeestosmaterialesentérminosdecedillasunidad,esmásconveniente clasificarlossegúnlostiposdecombinacionesgeométricasqueformanestostetraedros. A2.2.2Clasificaciónestructural  Ortosilicatosonesosilicatos.Tienentodossustetraedros(SiO4)4−aislados(no enlazados).Lacargaestostetraedrosaisladosseequilibraconotroscationes.Aeste grupopertenecentantolasoxiapatitas,comounadelasfasesnodeseadasqueaparece enlasíntesisdeestas,elLa2SiO5,cuyaestructurasepuedeapreciarenlafigura51.  Disilicatososorosilicatos.Estánformadosporgrupostetraédricosdobles,esdecir,por dostetraedrosquecompartenunoxígeno.Suunidadestructuralesel(Si2O7)6−.Aeste grupoperteneceelLa2Si2O7(otradelasfasesnodeseadasqueaparecenenlasíntesis delasoxiapatitas).  Ciclosilicatos.Estánformadosporanillosdetetraedrosenlazados.Haytrestipos posiblesdeconfiguraciones:(Si3O9)6−,(Si4O12)8−y(Si6O18)12−.  Inosilicatososilicatosdecadena.Existendosgruposimportantes,lospiroxenos, formadosporcadenassimplesdetetraedroscuyaunidadesel(SiO3)n2n−ylosanfíboles, formadospordoblescadenasdetetraedroscuyaunidadesel(Si4O11)n6n−.  Filosilicatososilicatoslaminares.Presentanunaestructurabidimensionalenformade capasoláminasproducidaalcompartirtresdeloscuatroionesdeoxígenodecadauno delostetraedros.Lafórmulaunidadqueserepiteesdeltipo(Si2O5)2−.  Tectosilicatos.Todoslostetraedroscompartentodossusoxígenosconlostetraedros adyacentesformandounaredtridimensional.Eselcasodelasíliceuóxidodesilicio (SiO2),unodelosreactivosqueseutilizanenlasíntesisdelasoxiapatitas.   Figura51. Estructuracristalinadeloxiortosilicato delantano(La 2 SiO 5 )vistaalolargodelejeb. Estácompuestaportetraedros(SiO 4 ) 4− aislados, condostiposdecationesdeLa:unoconun númerodecoordinación9(La1)yelotroconun númerodecoordinación7 ( La2 ) . [ 12 ]  Figura52. Clasificaciónestructuraldelossilicatos.  Anexo2.Oxiapatitas ‒45‒ A2.3SistemabinarioLa 2 O 3 −SiO 2  LosreactivosutilizadosparaobtenerelcompuestodeoxiapatitaLSOdeesteproyectoson elóxidodelantano(La2O3)yelóxidodesilicio(SiO2).Paraverdeunamaneramásvisuale intuitivalarelaciónentrelaestructuraylacomposiciónylascantidadesdefasesen equilibrio,sehaanexado(figura53)eldiagramadefasesdelsistemabinarioLa2O3−SiO2. LasoxiapatitasseencuentranenlaregióncomprendidaentreelLa2SiO5(oxiortosilicatode lantano)yelLa2Si2O7(sorosilicatodelantano).Susecuacionesdereacciónson: La  O  SiO  ⟶La  SiO  La  O  2SiO  ⟶La  Si  O   LarelaciónmolardelLa2SiO5es50%deLa2O3y50%deSiO2(relación1:1)yladel La2Si2O7es33.33%deLa2O3y66.67%deSiO2(relación1:2). ElcompuestodeoxiapatitautilizadoenesteproyectoeselLa9.67(SiO4)6O2.5óLa9.67Si6O26.5si seexpresaenrelaciónestequiométrica.Suecuacióndereacción,expresadadedos manerasdistintas,eslasiguiente: 4.833⋅La  O  6⋅SiO  ⟶La . Si  O . La  O  1.241⋅SiO  ⟶La  Si . O .  Surelaciónmolares44.62%deLa2O3y55.38%deSiO2(relación1:1.241).Estáseñalada conunamarcarojaeneldiagramadefases. Hayqueseñalarquehastael60%enmoldeSiO2(relación2:3)dondeseformael La4Si3O12,compuestoenelquetodoslosoxígenosestánlocalizadosenlostetraedrosde silicato(SiO4)4−,loscompuestosformadospertenecenalgrupodelosortosilicatos,esdecir, tienentodossustetraedros(SiO4)4−aislados.AconcentracionesmáselevadasdeSiO2, estostetraedrosdesilicatoempiezanaenlazarse(compartensusoxígenos).    Fi g ura53. Dia g ramadee q uilibriodefasesdelsistemabinarioLa 2 O 3 −SiO 2 . [ 13 ]  Anexo3.Elaboracióndemezclasypastas ‒46‒ Anexo3.Elaboracióndemezclasypastas Enesteanexosevaaexponerdeunamaneramásdetalladalascondicionesdeseadas,los cálculosdecomposiciónylosprocesosutilizadosenlarealizacióndelasmezclaspara ánodoylaspastasdeelectrolitoycátodo,ademásdelosaditivosquímicosempleadosen ellas. A3.1Aditivosquímicosutilizados A3.1.1Alcoholdepolivinilo(PVA) ElalcoholdepolivinilooPVA(PolyVinylAlcohol),tambiénllamadopolietenolo polialcoholvinílico,esunpolímerosintéticosolubleenagua,cuyafórmulaquímica es[CH2CH(OH)]n. ElPVAqueseutilizaenellaboratorioseencuentradisueltoenH2Oenunaconcentración deun5%enmasa. Sehautilizadocomoaglutinanteparaproporcionarunamayorresistenciaenverdealos tubosdeánodoymuestrasdemedidasdedilatometría. A3.1.2Butiraldepolivinilo(PVB) ElbutiraldepolivinilooPVB(PolyVinylButyral),tambiénconocidocomoButiral,esun compuestoquímicoresultadodemezclaralcoholdepolivinilo(PVA)conbutiraldehído.El materialresultanteesunpolímerodegranadherenciaydurabilidad,utilizado principalmenteenlaindustriadelvidrio. ElPVButilizadoseencuentraenunadisolución20gdePVB+100gdeetanol. Enellaboratoriosehaempleadoenlarealizacióndelaspastasdeelectrolitoycátodopara dotarlesdeunamayorviscosidadyadherencia. A3.1.3BeycostatC213 EldefloculanteésterdefosfatoBeycostat‐C213(CECA)seutilizaparaproporcionarla estabilizaciónelectroestérica(estabilizaciónelectrostática+estabilizaciónestérica). Enesteproyectosehautilizadojuntoconetanolparaobtenerunmediolíquido dispersanteparalassuspensionesdepolvo,evitandoagregadosysedimentaciones.En concretosehautilizadoenlasmedidasdetamañodepartículas,enlaatriciónyenlas fasesdemezcladodelospolvosensuspensiónenlaspastasdeelectrolitoycátodo. Estecompuesto,deunamanerasimple,puededecirsequecubrelaspartículasdelpolvo cerámicoensuspensión,reduciendolasenergíasdeinteracciónexistentesentreellas. Estasenergíasestánformadasporfuerzasatractivas(generalmentefenómenosde London‐VanderWaals)yfuerzasrepulsivas(electrostáticasyestéricas).  Anexo3.Elaboracióndemezclasypastas ‒47‒ A3.2Mezclasparaánodo A3.2.1Condicionesycálculosprevios Sequiereobtenerunánododondelafraccióndevolumendeporoseaigualaladecermet, yenelcermet,laproporcióndeníquelyoxiapatitadebenserigualestambién,esdecir, 50%deporo,25%deníquely25%deoxiapatita.Apartirdelasfracciónvolumétricasse debencalcularlafraccionesmásicasdeloscompuestos(NiO,apatitayformadordeporo) quesevanamezclar. Separtedelareaccióndereduccióndelóxidodelníquelaníquelmetálico: 2NiO⟶2NiO 2mol74.7094 g mol󰇟NiO󰇠⟶2mol58.71g mol󰇟Ni󰇠1mol15.9994 g mol󰇟O󰇠 149.4188g󰇟NiO󰇠⟶117.42g󰇟Ni󰇠15.9994g󰇟O󰇠 V 149.4188g 6.67  22.4016cm V 117.42g 8.9  13.1933cm DespuésdequeelNiOsereduzcaaNiquedaránloshuecosdeloxígeno.Elrestode volumendeporoquequeremosloconseguiremosconformadordeporo(maicena): VVV22.4016cm󰇟NiO󰇠13.1933cm󰇟Ni󰇠9.2084cm󰇟porosO󰇠 VVV Lasfraccionesdevolumenparaelvolumentotalfinal(despuésdeNireducido)son: 󰇱FV0.25 FV0.25 FV0.5󰇲→󰇱VVFV VVFV VVFV󰇲→     VV FV13.1933cm 0.25 52.7730cm V52.7730cm0.2513.1933cm V52.7730cm0.2526.3865cm      Lacantidaddeformadordeporonecesariavaaser: VVV26.3865cm9.2084cm17.1782cm m17.1782cm1.9g cm32.6385g󰇟fp󰇠 Lamasadeapatita:m13.1933cm5.3066 g cm70.0113g󰇟apa󰇠 Secalculalamasatotaldemezcla(antesdereduccióndelNiO)yconellalasfracciones másicas: mmmm149.4188g70.0113g32.6385g252.0686g FMm m149.4188g 252.0686g0.5928 FMm m70.0113g 252.0686g0.2777 FMm m32.6385g 252.0686g0.1295  Anexo3.Elaboracióndemezclasypastas ‒48‒ Si,porejemplo,sequieretenerunamasademezclainicialde5glascantidadesdeNi0, apatitaymaicenaserán: mFMm0.59285g2.9639g󰇟NiO󰇠 mFMm0.27775g1.3887g󰇟apa󰇠 mFMm0.12955g0.6474g󰇟fp󰇠  Siseprocededeigualformadecálculo,perodeunamaneraalgebraica,esdecir,utilizando sóloparámetrosyningunacantidadnumérica,seobtienenlassiguientesexpresiones generales,queserándeutilidadsisedeseacambiardeproporciónvolumétricaenlos componentesdelánodo:    FMm mM M󰇡1 󰇢     FMm mρ    M󰇡1 󰇢     FMm mρ      M󰇡1 󰇢     FM1FMFM  Anexo4.Técnicasdeprocesado ‒55‒ Anexo4.Técnicasdeprocesado A4.1Moliendadebolas Lamoliendadebolaseselmétodomásutilizadoparala mezcladepolvoscerámicosyparalareduccióndetamañode suspartículas.Entresusventajassedestacanlasencillezyel bajo precio del equipo. No obstante presenta algunos problemas,elmásimportanteeslacontaminaciónquese puedeproducirpordesgastedelmediodemolienda(bolas),o bienporelrecipienteenelcualseintroduceelmaterialquese vaamoler. Elmolinoquesehautilizadodurantetodoelproyectoesun PlanetaryMonoMillPULVERISETTE6classiclinedela compañíaFritsch(figura54). Lasfuerzascentrífugasocasionadasporlasrotaciones,tanto delrecipientedemoliendasobresupropioeje,comodeldisco delsoportederotación,sonlasqueactúansobrelasbolasde moliendayelmaterialenelrecipientedemolienda.El recipientedemoliendayeldiscodesoportegiranen direccionesopuestas,demaneraquelasfuerzascentrífugas actúanalternativamenteenlasmismasyendirecciones opuestas.(verfigura55) Estodacomoresultado,comounefectodefricción,lasbolasdemoliendaalolargodel interiordelapareddelrecipientedemolienda,yporefectodeimpacto,quelasbolas impactencontralaparedopuestadelrecipientedemolienda. Lamáquinaesaccionadaporunmotordecorrientealternatrifásicosinmantenimiento, queesoperadoconunconvertidordefrecuencia.    Fi g ura55.Dinámicadelasfuerzas q ueintervienenenlamoliendadebolas Fi g ura54.Molinoutilizado Anexo4.Técnicasdeprocesado ‒56‒ A4.2Atrición Esunmétodosimilaralamoliendadebolas.Enlugar deservirsedelasfuerzascentrífugasdelplato rotatorioyelgiropropiodelcontenedordela molienda para impulsar las bolas, estas son impulsadasdirectamenteporunosbrazossujetosa unejerotatorio.(figura56) Tantoelrecipiente,comolosbrazosrotatorios,son depolímeroparaminimizarlosefectosdelos choquesentreestosylasbolas. Enelproyectosehausadoparareducireltamañode granoaladimensiónmáspequeñaposiblequese puedaobtenerporunprocesomecánico. A4.3Compactado Paraobtenercompactossehanutilizadodosmétodos,elprensadouniaxialyelprensado isostáticoenfrío,utilizandounaprensauniaxialyunaprensaisostáticarespectivamente. Conlaprensauniaxialsehanobtenidopastillascompactasdemezcladeóxidossólidos paraluegosometerlasaltratamientotérmicodesíntesis,yconlaprensaisostáticasehan obtenidolostubosdeánodoenverde. A4.3.1Prensadouniaxial Enunaprensauniaxial(figura57)lapresiónseaplicaal polvoenunasoladirección.Mediantecompactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensionesyacabadosprecisos,obteniéndoseuna altaproductividadenlaindustriamedianteesta técnica.Uninconvenientedelacompactaciónuniaxial eslabajarelaciónlongitud/diámetroquepuede obtenerseenlaspiezasdebidoalgradientededensidad queseproduceentreelcentrodelapiezaylaszonas máspróximasalpunzón.Paraobteneruncompacto conmayordensidadseempleanprensasdedoble émbolo(dobleacción). A4.3.2Prensadoisostático(CIP) ElprensadoisostáticoenfríooCIP(ColdIsostatic Pressing)esunmétododecompactaciónqueserealiza encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticostípicamentedegoma,látexoPVC,aplicándolespresiónhidrostáticamedianteun fluidoquepuedeseraguaoaceite.Laspiezasenverdeobtenidasporestesistematienen propiedadesuniformeseisótropas.Unadelasprincipalesventajasdeestemétodode compactacióneslaaltarelaciónlongitud/diámetroquepuedeobtenerseenlaspiezascon respectoalacompactaciónuniaxial.Esunodelosmétodosmásutilizadosparala compactacióndepiezascerámicas.  Figura56.Diagramadelprocesodeatrición. Figura57.Prensauniaxialhidraúlica y elementosdeltro q uelutilizado. Anexo4.Técnicasdeprocesado ‒57‒ A4.4Sinterizado Duranteelprocesodecompactaciónseconsiguequeunpolvosueltoadquirieraunaforma determinada,yquepuedasermanejadosinqueelcompactosedesmorone.La consolidaciónodensificacióndeestoscompactosenverdeaportaunaseriede propiedadesfísicasymecánicasqueloshaceninteresantesparasuposteriorutilización. Engeneral,alcanzandounaaltadensidadsemejoranlaspropiedadesdeunmaterial,es porestarazónqueunodelosobjetivosdurantelasinterizaciónsea,endeterminados casos(comoeneldelacapadeelectrolito),alcanzarladensidadteórica,esdecir,la eliminacióntotaldelaporosidadresidual. Lasinterizacióneselprocesoporelcualsecreanunionesentrepartículasatemperaturas pordebajodelatemperaturadefusiónmediantefenómenosdedifusiónatómica.La sinterizaciónllevaasociadanormalmenteladensificacióndelcompacto,aunquepuede ocurrirquelaspartículascreenunionessinqueseproduzcacontracción. Lafuerzaimpulsoradelasinterizaciónvienedadaporlareduccióndelaenergíalibredel sistema,locualpuedeproducirseporunadisminucióndelacurvaturadelassuperficieso porlareduccióndelaenergíaasociadaaláreasuperficial,yaseapordisminucióndeéstao porlasustitucióndesuperficiesólido‐vaporporsuperficiesólido‐sólidodemenorenergía. ETAPASENLASINTERIZACIÓNENESTADOSÓLIDO Elmodelobásicodesinterizaciónenestadosólidopuedeexplicarseapartirdeunmodelo geométricamentesencilloconsistenteendospartículasinicialmenteesféricas.Existen variasetapasdentrodelproceso.Aunquenoexisteunaclaradistinciónentrelasdiversas etapasqueocurrendurantelasinterización,puedeaceptarseladivisióndelamismaen tresetapas. LaprimeraetapadelasinterizaciónsedefinecomoaquellaqueocurremientrasX/R˂0.3 parapolvosnocompactados(XeseldiámetrodelapartículasyRelradiodelcuellode uniónqueseformaentreambaspartículas).Lafuerzaconductoraenestaetapaesdebida alosgradientesdecurvaturaexistentesenloscuellosgeneradosentrelaspartículas. Duranteestaetapalaporosidadesabiertaytotalmenteinterconectada,aunquelaforma puedenosermuylisa.Enlaetapaintermedia,losporossonmuchomáslisos,tienenuna estructuracilíndricayestáninterconectados.Laatencióncambiadelcrecimientodecuello entrepartículasalaestructuragranos‐poros.Lafuerzaconductoravieneoriginadaporla disminucióneneláreasuperficialyeldescensodelaenergíasuperficiallibrepor eliminacióndelainterfacessólido‐vapor.Laspropiedadesdelproductofinaldependerán engranmaneradeestasegundaetapa.Alfinaldeestasegundaetapasueleocurrirun crecimientodegranoquepuedemotivarelmovimientooaislamientodelaporosidad existente.Durantelasinterizaciónlainteracciónentreporosylímitesdegranospuedeser dedosformas: 1.Losporospuedeserarrastradosporelmovimientodelasjuntasdegranoduranteel crecimientodegrano. 2.Lasjuntasdegranopuedensepararsedelosporosdejandoaestosenelinterior(los porossemuevenmáslentamentequelasjuntasdegrano). Cuandolaporosidadresidualllegaaseraproximadamenteun8%losporoscilíndricos colapsanenporosesféricosyéstosnosontanefectivosdeteniendoelcrecimientode grano.Laestructuradeporosasociadaalasjuntasdegranoesenergéticamentemás favorable,yaqueelpororeduceeláreacorrespondientealajuntadegrano.Noobstante, Anexo4.Técnicasdeprocesado ‒58‒ bajociertascondicioneslafuerzaconductoradelcrecimientodegranosuperaestafuerza restrictivadebidaalosporos,conloqueseproducelaseparaciónentreéstosylasjuntas degrano.Elaislamientodeporosenelinteriordelosgranosoriginaunacaídaimportante enlavelocidaddedensificación.Lacantidaddeporosidaddecrececoneltiempo,aunque eltamañodelosporospuedeaumentar.Enestaetapalafuerzaconductoravienedadapor laeliminacióndelainterfasevapor‐sólido.Lapresenciadeungasinsolubleenelinterior delporolimitarálacantidaddedensificaciónenestaúltimaetapa. A4.5Dip‐coating Latécnicadeldipcoatingseutilizatantopararecubrir lostubosdeánodoconunacapadepastadeelectrolito, comopararecubrireltubocosinterizadodeánodoy electrolitoconunacapadepastadecátodo.Paraello, sehautilizadounservoelectromecánico(figura58) que,conayudadeunmotorconreguladorde velocidad,hacedescenderyascenderlasplacasenla verticalpermitiendoqueestasseintroduzcanyse extraigandelapastarespectivamente. Serequiereuncontroldelaviscosidad,cargade sólidosyvelocidaddeinmersióndelamuestraenla pastaparagarantizarunespesordelrecubrimiento correcto.Paraevitaraglomeracionesydecantaciones enlasuspensiónesnecesariaunaagitaciónvigorosa antesdecadainmersión,pudiendohacerusosifuera necesariodesondadeultrasonidos.     Fi g ura59.Momentosanterior y  p osterioralainmersióndedosmuestras. Fi g ura58. Servoelectromecánico. Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒59‒ Anexo5.Técnicasdecaracterización A5.1EspectroscopiaRaman LaEspectroscopiaRamanesunatécnicafotónicadealtaresoluciónqueproporcionaen pocossegundosinformaciónquímicayestructuraldecasicualquiermaterialocompuesto orgánicoy/oinorgánicopermitiendoasísuidentificación.Elanálisismedianteestatécnica sebasaenelexamendelaluzdispersadaporunmaterialalincidirsobreélunhazdeluz monocromático.Unapequeñaporcióndelaluzesdispersadainelásticamente(dispersión Raman)experimentandoligeroscambiosdefrecuenciaquesoncaracterísticosdelmaterial analizadoeindependientesdelafrecuenciadelaluzincidente.Setratadeunatécnicade análisisqueserealizadirectamentesobreelmaterialaanalizarsinnecesitarésteningún tipodepreparaciónespecialyquenoconllevaningunaalteracióndelasuperficiesobrela queserealizaelanálisis,esdecir,esno‐destructiva. Enlasiguientetablasereflejalainformaciónqueproporcionanlascaracterísticasdeun picoenunamedidadeespectrometríaRaman[11]: frecuencias características composicióndelmaterial cambiosenla frecuenciadelpico estadodecargasy deformaciones polarizacióndelpico simetríayorientacióndel cristal anchuradelpico calidaddelcristal intensidaddelpico cantidaddematerial  Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒60‒ A5.2DifracciónderayosX A5.2.1Concepto LadifracciónderayosX(DRX)esunfenómenofísicoqueseproducealinteraccionarun hazderayosX,deunadeterminadalongituddeonda,conlamateria. Cadaátomodelamuestracristalinaactúa comouncentrodedispersióndelasondas incidentes,demaneraquemediantelaleyde Braggseprediceladirecciónenquese producelainterferenciaconstructivaentre dichoshaces,obteniéndoseunpatrónde intensidadesquepuedeinterpretarsesegún laubicacióndelosátomosenelcristal. nλ2dsinθ A5.2.2Equipoutilizado TodaslasmedidasdedifracciónderayosXsehanrealizadoenelServiciodeDifracciónde RayosXyAnálisisporFluorescenciadelServicioGeneraldeApoyoalaInvestigacióndela UniversidaddeZaragoza.LosdatossehanrecogidoconundifractómetromarcaRIGAKU, modeloD/max2500provistodeunánodorotante.Eldifractómetrofuncionaa40Kvy80 mAconunánododeCuyseutilizaunmonocromadordegrafitoparaseleccionarla radiaciónCuKalfa1,2.Condicionesdemedidade2theta10°a60°step=0.03t=1s/step. A5.2.3Medidasrealizadas  Sehancaracterizadopordifraccióntodaslassíntesisdeloscompuestosobtenidos,varias muestrasdetubosdeánodosometidasadiferentestratamientostérmicosylasmuestras delasdilatometríasdeelectrolito.  Fi g ura61.Difracto g ramadetrestúbosdeánodosometidosadiferentestratamientostérmicos. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Intensidad 2θ NiO‐LSOtrat2 NiO‐LSOtrat3 NiO‐LSOdilat NiO LSO.2  Figura60.DifracciónderayosXporplanosatómicos. Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒61‒ A5.3Microscopíaelectrónica Estatécnicaestábasadaenlaformacióndeunaimagenapartirdelaproyeccióndeunhaz deelectronesfocalizadossobrelamuestramedianteunsistemaformadoporuncañónde electronesyunaseriedelenteselectromagnéticas. Estehazinteractúaconlaregióndelamuestra próximaalasuperficieysegeneranunaseriede señales que pueden ser recogidas mediante detectores,principalmentetres. Entre ellas están los electrones dispersados inelásticamente,oelectronessecundarios,que constituyen una señal que nos proporciona informacióndelamorfologíadelamuestra medianteunaimagencongranprofundidadde campo.Elpuntoserámásbrillantecuantomás orientadohaciaeldetectorseencuentre,yaque unafracciónmayordeloselectronesdispersados incidirásobreeldetector. Otrapartedeloselectronessufreunadispersión elásticaysonretrodispersados,estefenómeno ocurremáscuantomásaltoseaelnúmero atómico en la región afectada, por tanto obtenemosunaimagenconcontrasteentrezonas condiferentenúmeroatómico. Porúltimoelhazdeelectronesimpulsaenlosátomossobrelosqueincideunmecanismo deexcitación/relajaciónquegeneraasuvezunaemisiónderayosX.Estaemisiónes característicadecadaátomo,porloqueestaseñalnosproporcionainformacióndetallada sobrelacomposicióndelamuestra. El equipo utilizado es un microscopio electrónicodebarridodeemisióndecampo (FESEM) Carl Zeiss MERLIN™ cuyas característicassonlassiguientes: •Cañóndeemisióndeelectronesporemisiónde campodepuntacaliente. •Permiteobservacionesdehasta0.8nmde resoluciónespacial. •Voltajesdeaceleraciónentre0.02y30kV. •Detectores de electrones secundarios y retrodispersadosenlacámarayenlacolumna(in‐lens). •DetectorEDSparaAnálisisdelaEnergíadelosRayosXdispersadosINCA350deOxford Instrumentsconresoluciónenenergíade127eVa5.9KeV. •DetectorEBSD(ElectronBackScatterDiffraction)paraelregistroyanálisisdediagramas deDifraccióndeelectronesretrodispersadosymapasdeorientacióncristalográfica. •DetectorSTEM.  Figura62.EsquematécnicodeunSEM. Figura63.Microscopioelectrónicodebarridode emisióndecampo(FESEM)CarlZeissMERLIN™. Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒62‒ A5.4EspectrometríadeCorrelaciónFotónica Laespectrometríadecorrelaciónfotónicaodispersióndinámicadeluzomás comúnmenteconocidaporDLS(Dynamiclightscattering)esunatécnicaempleadaparala determinacióndeladistribucióndetamañosdepartículasensuspensión ElespectrómetroutilizadoesunZetasizerNano‐ZSdelacompañíaMalvernInstruments quepermitedeterminartamañosdepartículaentre0.5y800μm. Paramedirladistribucióndetamañode partículadeunpolvocerámicoenprimer lugarhayqueacondicionarlo.Elmanualdel espectrómetro nos indica los rangos de valoresdeconcentraciónquehandeser usadossegúnelrangodetamañoenelquese encuentranlaspartículasdelamuestrade polvoquevaasercaracterizada.Enelcasode esteproyecto,entretalesindicacionesyvarias medidasdepruebasehadeterminadoqueuna concentraciónde0.025g/lpodríaserla idónea. Para llegar hasta tal valor de concentración,elcualesmuypequeño,se tienenquerealizarvariasdisolucionesintermedias.Elpolvosevaasuspenderenun mediodispersantecompuestoporetanolyundefloculanteésterdefosfato(Beycostat‐ C213,CECA,Francia)queseutilizaparaproporcionarlaestabilizaciónelectroestéricade lasuspensión.Estedefloculanteseañadiráenunaproporciónde1%delamasadelpolvo. Despuésdetenerlasuspensiónrealizadaseleaplicaráagitaciónmagnética,ysifuera necesario,unasesióndeultrasonidos.Deestamanera,yaestáencondicionesdeser medida. Lasuspensiónquesedeseamedirseintroduceenunasceldasocubetasespecialesque luegoseintroduciránenelaparato.Seajustanlosparámetrosdelprogramaquecontrola elespectrómetroyselanzalamedida.Después,unhazláserdeHe‐Ne(λ=632.8nm) interaccionaráconlaspartículassuspendidasyseprocederáamensurarlaintensidadde ladispersióndinámicadeluzqueseproduzca.Parapartículaspordebajode0.5μmel equiporealizaladeterminaciónmediantedispersióndiferencialdeluzpolarizada.  Figura64.ZetasizerNano‐Zs,MalvernInstruments Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒63‒ A5.5Dilatometría A5.5.1Concepto Enunensayodedilatometríaseaplicaunprocesotérmicoaunmaterialconelfinde medirladeformaciónquepresentaenfuncióndelatemperatura.Enestadeformación estánincluidostantoelfenómenodecontracciónporlacoalescenciaentrelaspartículas comoeldedilatacióndelmaterial(muypequeñoenestecasoportratarsedecerámicas). A5.5.2Dilatómetro LosensayossellevanacaboenunequipoSetaramSetsys2000.Consisteenunhorno verticalquedetectaloscambioslinealesenlongitudquesufrelamuestraenfuncióndela temperatura.  A5.5.3Tratamientodedatos Duranteelprocesotérmicoquetienelugarenlacámaradehornodeldilatómetro,este proporcionacomputerizadamentelosdatosdetiempotranscurridoytemperaturade proceso(T)eincrementodelongitud(ΔL)delamuestra.Elvalorqueinteresaparacada muestraesladeformación(ε)enfuncióndelatemperatura(ysuvelocidaddevariacióno derivadarespectodelatemperatura),yaqueesunamedidanormalizadaconlaquese puedecomparardemaneracorrectalosresultadosentrelasdistintasmuestrasalasque sehasometidoaunprocesodedilatometría.Losdatospuntualeshansidotratadossegún lassiguientesfórmulas: ε󰇛T󰇜ΔL󰇛T󰇜 Ldε󰇛T󰇜 dT ≃Δε󰇛T󰇜 ΔT ⇒dε󰇛T󰇜 dT 󰈅≃ε󰇛T󰇜ε󰇛T󰇜 TT   Fi g ura65.E q ui p outilizado y es q uemainternodelacámaradeldilatómetro. Anexo5.Técnicasdecaracterización ‒64‒ dondeL0eslalongitudinicialdemuestra(antesdeladilatometría).Comosepuede apreciar,paraelcálculodeladerivadaporincrementosdeladeformación,encadapunto (i)sehanutilizadolosvaloresdelpuntoanterior(i−1)ydelposterior(i+1). A5.5.4Ejemplodedilatometríasanalizadas Conlasdilatometríasrealizadasloqueseconsigueescaracterizarparacualquier temperaturaestoscomportamientos.Después,siestosnosonidóneosseintentará modificarlosparaposteriormentevolveramedirlosycomprobarsisehalogradola idoneidadnecesaria.   Enlafigura66sereflejalascurvasdedilatometríadelpolvodeLSGOprocesadocon moliendadebolas(durante12horas)yunaposterioratrición(durante3horas)yladeun ánodopresinterizadoa1175°C.Estosparámetroshansidodeterminadosdespuésdeun estudiodedilatometría,consiguiendoquelatemperaturadelpuntocomúndecontracción deamboselementosseencuentremuycercanaaladelpuntodedensificaciónmáximadel LSGO(1440°C),locualminimizaengranmedidalasqueapareceránduranteelprocesode sinterizado.   Figura66.CurvasdecontraccióndelpolvodeLSGO(12horasdemolienda+3horasdeatrición)y de  á n odo  p r es in te riz ado  a 117 5 ° C . ‐0.1 ‐0.08 ‐0.06 ‐0.04 ‐0.02 00.02 0.04 ‐18 ‐16 ‐14 ‐12 ‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 velocidaddeε (%) [°C − ¹] ε(%) T[°C] LSGO‐ε Pre:1175°C(2h)‐ε LSGO‐Δε/ΔT Pre:1175°C(2h)‐Δε/ΔT