Producción de manganitas de La0.5Ca0.5Fe1-xMnxO3, con potenciales aplicaciones en celdas de combustible de hidrógeno SOFC (2015)
Durante las últimas décadas de investigación se ha querido obtener sistemas tecnológicos capaces de generar energía de forma eficiente y con cero contaminación. Entre estos posibles avances se encuentran las celdas solares, la energía eólica, los biocombustibles, la energía geotérmica, las hidroeléctricas, etc. Sin embargo, estos métodos no solucionan el problema energético en su totalidad. Las celdas de combustible de Hidrógeno, son lo más parecido a eficiencia energética ya que su proceso electroquímico es superior a un 50%, y el hecho de producir agua como subproducto, le otorga gran importancia. El problema principalmente en este tipo de dispositivos energéticos se basa en sus materiales, en los que se usa electrodos de Platino (Pt), con una alta conductividad a temperatura ambiente, cuya obtención, es costosa, y su manipulación es complicada, lo que hace la generación de celdas de combustible de hidrógeno algo costoso. Tomando en cuenta estos aspectos, la comunidad científica lleva varias décadas trabajando en diversos tipos de celdas de combustible que sean capaces de obtener una eficiencia muy cercana a las celdas con platino, utilizando materiales mucho más fáciles de obtener y más económicos; entre los que se encuentran las celdas alcalinas que fueron las primeras utilizadas para los viajes al espacio y las celdas poliméricas que utilizan nafión como electrolito. La gran variedad de celdas se basan en el tipo de materiales y la manera en cómo se genera la obtención de la energía. Entre los diferentes tipos de celdas de combustible de Hidrógeno, algunas de las más investigadas, son las celdas tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) que son celdas que utilizan óxidos binarios, para los electrodos, electrolito e interconectores. El problema que se presenta en este tipo de celdas se da en la alta temperatura a la que tienen que trabajar para generar energía, lo que hace muy costoso y poco eficiente la generación de energía por este tipo de tecnología. La investigación se basa en sintetizar materiales con altas propiedades eléctricas, y que funcionen como catalizadores a temperaturas más bajas que las registradas en la literatura. De acuerdo a los reportes los materiales más utilizados son el LaCaMnO3 y el LaSrMnO3, pero trabajan a temperaturas muy altas 1000 ºC. Un material utilizado como posible electrodo para las celdas SOFC es el La0.5Ca0.5Fe1-XMnXO3, La utilización de Hierro (Fe), hace que se presenten fenómenos físicos, donde debido a su estructura predominan los efectos del Mn o del Fe, que hacen que sea un material con características muy sobresalientes. Para la obtención del La0.5Ca0.5Fe1-XMnXO3, se realizó síntesis por reacción de estado sólido utilizando un molino de bolas, para 7 muestras así: La0.5Ca0.5MnO3, La0.5Ca0.5Fe0.1Mn0.9O3, La0.5Ca0.5Fe0.3Mn0.7O3, La0.5Ca0.5Fe0.5Mn0.5O3, La0.5Ca0.5Fe0.7Mn0.3O3, La0.5Ca0.5Fe0.9Mn0.1O3, La0.5Ca0.5FeO3, denominadas M-1, M-2, M-3, M-4, M-5, M-6, M-7. Finalmente se aplicaron a diferentes técnicas de caracterización, a todas las muestras; entre estas se encuentran: Difracción de Rayos X, se obtuvo para cada material sintetizado que es policristalino, con una fase tipo perovskita, con grupo espacial Pnma, y estructura ortorrómbica; se realizaron ajustes por el método Rietveld, para obtener los tamaños de cristalito y parámetros de red. Las medidas de Espectroscopía de impedancia mostraron que el material posee un comportamiento tipo semiconductor, térmicamente activado. El valor de la energía de activación obtenido mediante los ajustes Arrhenius, disminuye de acuerdo al porcentaje de iones Fe. Se obtienen 2 tipos de Energía de activación; se relacionan con las interacciones de conducción de los portadores de carga (iones, electrones), en los granos y límites de grano de cada material. Esta respuesta se correlaciona, con las medidas de modulo dieléctrico (M*) y permitividad dieléctrica (Ɛ*). La respuesta de modulo dieléctrico (M*) en su parte real e imaginaria, indican la influencia de altas frecuencias, que indican los fenómenos de frecuencia de relajación en medio de los granos y límites de grano. La respuesta de permitividad dieléctrica (Ɛ*), indica la influencia a bajas frecuencias, sobre los iones que están siendo influenciados por un campo eléctrico, a diferentes temperaturas (25T250 °C). Las medidas Magnéticas realizadas para un ciclo de enfriamiento con sus siglas en ingles ZFC (Zero Field Cooling) y FC (Field Cooling) respectivamente, mostraron que hay dispersión en Tc, lo cual implica que al aumentar el dopaje del ion Fe en las muestras LCMO55 M-1, LCFM5537 M-3, LCFM5555 M-4; los valores de magnetización disminuyen, influenciando la baja influencia del proceso de doble intercambio, mostrando la tendencia de fases ferromagnéticas y de vidrio de spin del material. Las medidas de espectroscopía por transformada de Fourier, realizadas en modo de absorbancia, muestran las interacciones de las bandas entre enlaces Mn-O-Mn, en bandas en común de los espectros, indicando la no contaminación de las muestras, por bandas diferentes a las que se encuentran en común. Las Medidas SEM muestran que las muestras son un conjunto de aglomerados, divididos entre granos pequeños situados en la parte interior de muchos granos más grandes lo que permite la formación de pequeños canales que pueden ser un alto grado de porosidad, esencial para el proceso de difusión de los combustibles (H2 – O2). Las medidas de composición elemental EDX, indican semi-cuantitativamente los porcentajes de cada elemento, que hacen parte de cada uno de los compuestos obtenidos, indicando que el proceso de estequiometría, al igual que los procesos de síntesis no afectó la estequiometría básica de cada compuesto (Texto tomado de la fuente)