Estudio teórico y experimental sobre una vía rápida de transporte de protones en SrTiO recubierto de CeO_23-δ a través...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Química del estado sólido

Sus antecedentes:

• Las pilas de combustible de cerámica (CFC) se enfrentan a limitaciones de alta temperatura que dificultan su adopción generalizada.
• El transporte eficiente de protones en electrolitos es crucial para reducir las temperaturas de funcionamiento.
• Los electrolitos existentes a menudo requieren altas temperaturas para una conductividad iónica adecuada.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un nuevo electrolito para pilas de combustible cerámicas de baja temperatura.
• Para mejorar la conductividad de protones mediante la ingeniería de superficie del titanato de estroncio (SrTiO_3-δ).
• Investigar el mecanismo de transporte iónico mejorado a temperaturas de funcionamiento reducidas.

Principales métodos:

• Ingeniería de la superficie del electrolito SrTiO_3-δ con un recubrimiento de 10 mol% CeO₂, creando una heteroestructura de núcleo-capa.
• Caracterización de la conductividad iónica y el rendimiento electroquímico a bajas temperaturas (por ejemplo, 550 °C).
• Experimentos de sustitución isotópica y de membrana bloqueadora de protones para confirmar el mecanismo de conducción.
• Cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para aclarar el papel de las vacantes de oxígeno y la estructura de la superficie.

Principales resultados:

• El electrolito SrTiO 3-δ recubierto con 10 mol% de CeO alcanzó una alta conductividad iónica (0,14 S cm) a 550 °C.
• Se obtuvo una densidad de potencia máxima de 0,81 W cm-2 a 550 °C.
• La conducción protónica se confirmó como el mecanismo dominante, contribuyendo con hasta el 78% de la potencia total de salida.
• Los cálculos de DFT revelaron una menor energía de formación de vacío de oxígeno (3,7 eV) y un transporte de protones facilitado debido al recubrimiento CeO2.

Conclusiones:

• La ingeniería de superficie de SrTiO_3-δ con CeO₂ es una estrategia viable para electrolitos CFC de bajo rendimiento.
• La heterostructura del núcleo-capa promueve las vacantes de oxígeno en la interfaz, mejorando la migración de protones.
• Este enfoque ofrece una alternativa escalable y rentable a los métodos convencionales de dopaje a granel para mejorar el rendimiento de los CFC.