Un límite de triple fase ( TPB ) es una clase geométrica de límite de fase y la ubicación de contacto entre tres fases diferentes . Un ejemplo simple de un TPB es una línea costera donde la tierra, el aire y el mar se encuentran para crear una ubicación energética impulsada por la energía solar, eólica y de las olas capaz de soportar un alto nivel de biodiversidad. Este concepto es particularmente importante en la descripción de electrodos en celdas de combustible y baterías . Por ejemplo, para las celdas de combustible, las tres fases son un conductor de iones ( electrolito ), un conductor de electrones y una fase de "porosidad" virtual para transportar moléculas de combustible gaseosas o líquidas . Las reacciones electroquímicas que utilizan las celdas de combustible para producir electricidad ocurren en presencia de estas tres fases. Los límites de triple fase son, por lo tanto, los sitios electroquímicamente activos dentro de los electrodos.
La reacción de reducción de oxígeno que ocurre en el cátodo de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) se puede escribir de la siguiente manera:
Oh
2(gas) + 4 e − (electrodo) → 2 O2−
(electrólito)
Diferentes mecanismos llevan estos reactantes a una TPB para llevar a cabo esta reacción. [1] La cinética de esta reacción es uno de los factores limitantes en el rendimiento de la celda, por lo que aumentar la densidad de TPB aumentará la velocidad de reacción y, por lo tanto, aumentará el rendimiento de la celda. [2] Análogamente, la densidad de TPB también influirá en la cinética de la reacción de oxidación que ocurre entre los iones de oxígeno y el combustible en el lado del ánodo de la celda. El transporte hacia y desde cada TPB también afectará la cinética, por lo que la optimización de las vías para llevar reactantes y productos al área activa también es una consideración importante. Los investigadores que trabajan con celdas de combustible utilizan cada vez más técnicas de imágenes 3D como FIB-SEM y nanotomografía de rayos X para medir la densidad de TPB como una forma de caracterizar la actividad celular. [3] [4] Recientemente, se ha demostrado que las técnicas de procesamiento como la infiltración aumentan sustancialmente la densidad de TPB, lo que conduce a una mayor eficiencia y, potencialmente, SOFC comercialmente más viables. [5]
En sistemas que constan de solo tres fases, los límites de triple fase son características lineales de bucle cerrado geométricamente que no intersecan otros TPB y, como tales, no forman una red. La forma más simple de TPB se visualiza fácilmente utilizando dos esferas de intersección de tamaño arbitrario de diferente fase suspendidas en el espacio libre (ver figura 3 [6] ) que crea un TPB circular en la intersección de las esferas. Sin embargo, en los electrodos, los bucles de TPB suelen tener formas altamente complejas y estocásticas en tres dimensiones (3D). Por lo tanto, los TPB tienen las unidades de longitud. Para los electrodos, la normalización de la longitud de TPB a la densidad de TPB proporciona un parámetro de microestructura importante para la descripción del electrodo y, por lo tanto, el rendimiento de la celda que es independiente de las dimensiones del electrodo. La densidad de TPB normalmente es una densidad volumétrica y se mide en unidades de longitud inversa al cuadrado, típicamente μm −2 (es decir, μm /μm 3 ) debido a la escala de las características microestructurales típicas del electrodo.
Los límites de triple fase solo son electroquímicamente activos si todas y cada una de las "fases" están conectadas a fuentes y destinos de especies de reacción para completar la reacción electroquímica. Los límites de triple fase activos suelen denominarse TPB percolados . Por ejemplo, en un cermet de ánodo de Ni-YSZ de SOFC, el TPB debe:
Además de aumentar la densidad de TPB, obviamente es ventajoso aumentar la relación entre la densidad de TPB activa y la densidad de TPB total para aumentar el rendimiento del electrodo/celda.