Estudio de las propiedades mecánicas del La 1.8 M 0.2 NiO4+d (M: Sr2+ y Ba2+) para su uso como electrodo en celdas de óxido sólido reversibles

Ingeniero Civil Mecánico

El aumento exponencial de los requerimientos energéticos a nivel mundial en las últimas décadas, junto a un aumento paulatino de la población exige un cambio hacia formas de energía más limpias. Dado lo anterior, las celdas de óxido reversible (RSOFCs), han sido materia de estudio durante las últimas décadas, exhibiendo gran potencial como una alternativa limpia de generación energética. Sin embargo, requerimientos como una buena conductividad iónica y eléctrica y resistencia a altas temperaturas, ha significado costos excesivos en materiales, tanto para su formación como por el deterioro durante su uso. En este sentido, el principal motor de desarrollo para esta tecnología consiste en encontrar nuevos materiales para su uso a temperaturas menores y que, al mismo tiempo, tengan las características requeridas para el funcionamiento físico y químico de las mismas. Este último desafío considera la principal motivación de esta memoria. Uno de estos materiales consiste en el La2NiO4+delta (LNO), el cual ha presentado reportes de mejoras notable en las propiedades electroquímicas del mismo al ser dopado con otras especies. En este sentido, el objetivo general de esta memoria consiste en la fabricación y caracterización de las propiedades mecánicas de LNO dopado con estroncio y bario. Para lograr el objetivo principal, se desprenden una serie de objetivos específicos que consideran la preparación de material LNO con respectivo dopaje de Sr 2+y Ba 2+, el estudio de las propiedades del material mediante diversos procesos y variaciones de los mismos y el análisis y discusión sobre la posibilidad del uso del material sintetizado como electrodo de oxígeno en celdas de óxido sólido reversibles. Para esto, se desarrolla una metodología que consiste en la fabricación de muestras de La1.8M0.2NiO4+delta (M: Sr 2+y Ba 2+) mediante el método sonoquímico. Luego, se realizan una serie de pruebas para caracterizar el material en diversas propiedades, las cuales incluyen TG, BET, XRD y HRTEM para caracterización estructural, ensayos de ICT e indentación para la obtención de módulo de elasticidad, dureza y tenacidad a la fractura, en término de sus propiedades mecánicas. Finalmente, se logran obtener variados valores de microdureza y tenacidad la fractura para distintas configuraciones de dopantes y temperaturas de sinterizado. Se concluye que en general las propiedades del material con dopantes son mejoradas debido a un cambio en la microestrctura del material que lo hace más resistente y con un módulo mayor, sin embargo, menos tenaz, ligado al aumento de las propiedades electroquímicas ya reportadas. En particular, para el dopaje con bario, se obtiene una microdureza de 8.93 [GPa], tenacidad a la fractura de 1.96 [MPa m^{1/2}] y módulo de Young consistente en 147.8 [GPa]. Los objetivos son cumplidos a cabalidad.

Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto FONDECYT N° 11160202