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Conductor mixto

El óxido de cerio es un potente conductor mixto. [1]

Los conductores mixtos , también conocidos como conductores mixtos de iones y electrones (MIEC), son un material monofásico que tiene una importante conducción iónica y electrónica . [1] [2] [3] Debido a la conducción mixta, una especie formalmente neutra puede transportarse en un sólido y, por lo tanto, se permite el almacenamiento y la redistribución masiva. Los conductores mixtos son bien conocidos en combinación con la superconductividad de alta temperatura y son capaces de capacitar reacciones rápidas en estado sólido .

Se utilizan como catalizadores (para oxidación), membranas de permeación , sensores y electrodos en baterías y pilas de combustible , porque permiten transducir rápidamente señales químicas e impregnar componentes químicos. [3]

Titanato de estroncio ( SrTiO 3 ), dióxido de titanio ( TiO 2 ), (La,Ba,Sr)(Mn,Fe,Co)O
3-d,La2CuO
4+días, óxido de cerio (IV) ( CeO 2 ), fosfato de hierro y litio ( LiFePO 4 ) y LiMnPO 4 son ejemplos de conductores mixtos. [1]

Introducción

Los materiales MIEC tienden a ser óxidos no estequiométricos , muchos de los cuales tienen estructuras de perovskita con metales de tierras raras en el sitio A y metales de transición en el sitio B. [4] La sustitución de varios iones en la red de dicho óxido puede dar como resultado una mayor conductividad electrónica mediante la formación de agujeros e introducir conductividad iónica mediante el desarrollo de vacantes de oxígeno. [4] Este mecanismo se conoce como teoría de los defectos, que establece que defectos como estos ofrecen vías adicionales que favorecen la difusión rápida. [5] Otros materiales prometedores incluyen aquellos con estructuras de tipo pirocloro , brownmillerita , Ruddlesden-Popper y ortorrómbicas K 2 NiF 4 . [5]

Sin embargo, puede ser difícil encontrar MIEC verdaderos (monofásicos) que sean compatibles con otros parámetros de diseño, por lo que muchos investigadores han recurrido a materiales MIEC heterogéneos (H-MIEC). Un H-MIEC es una mezcla compuesta de dos fases: una para conducir iones y otra para conducir electrones o huecos. [6] Estos materiales son deseables por su capacidad de ajustar sus propiedades para aplicaciones específicas ajustando los niveles de concentración para lograr un transporte óptimo de electrones e iones. [7] Las H-MIEC porosas también incorporan una tercera fase en forma de poros, que permiten la formación de límites de fase triple (TPB) entre las tres fases que proporcionan una alta actividad catalítica. [7]

Aplicaciones

SOFC/SOEC

Esquema de una pila de combustible de óxido sólido. Tenga en cuenta que el material del cátodo debe conducir tanto iones de oxígeno como electrones.

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) y las celdas de electrólisis (SOEC) de última generación incorporan frecuentemente electrodos hechos de materiales MIEC. Las SOFC son únicas entre las pilas de combustible porque los iones cargados negativamente (O 2- ) se transportan desde el cátodo al ánodo a través del electrolito , lo que hace que los materiales del cátodo MIEC sean fundamentales para lograr un alto rendimiento. Estas pilas de combustible funcionan con la siguiente reacción de oxidación-reducción:

Reacción anódica : 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e −
Reacción catódica : O 2 + 4e − → 2O 2−
Reacción celular general : 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Los MIEC como la ferrita de lantano, estroncio y cobalto (LSCF) son con frecuencia objeto de investigación moderna sobre pilas de combustible, ya que permiten que la reacción de reducción se produzca en toda la superficie del cátodo en lugar de solo en la interfaz cátodo/electrolito. [8]

Uno de los materiales para electrodos (cátodos) de oxígeno más utilizados es el H-MIEC LSM-YSZ, que consiste en manganita de lantano y estroncio (LSM) infiltrada en una estructura de ZrO 2 dopada con Y 2 O 3 . [9] Las nanopartículas de LSM se depositan en las paredes del andamio poroso de YSZ para proporcionar una vía electrónicamente conductora y una alta densidad de TPB para que se produzca la reacción de reducción. [9]

Ver también

Referencias

  1. ^ abc "Conductores mixtos". Instituto Max Planck para la investigación del estado sólido . Consultado el 16 de septiembre de 2016 .
  2. ^ I. Riess (2003). "Conductores mixtos iónicos-electrónicos: propiedades y aplicaciones de los materiales". Iónicos de estado sólido . 157 (1–4): 1–17. doi :10.1016/S0167-2738(02)00182-0.
  3. ^ ab Chia-Chin Chen; Lijun Fu; Joaquín Maier (2016). "Almacenamiento y eliminación de masa sinérgica y ultrarrápida en conductores mixtos artificiales". Naturaleza . 536 (7615): 159–164. Código Bib :2016Natur.536..159C. doi : 10.1038/naturaleza19078. PMID  27510217. S2CID  54566214.
  4. ^ ab Teraoka, Y. (enero de 1988). "Conductividad mixta iónico-electrónica de óxidos tipo perovskita La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ". Boletín de investigación de materiales . 23 : 51–58. doi :10.1016/0025-5408(88)90224-3.
  5. ^ ab Sunarso, Jaka (15 de julio de 2008). "Membranas de base cerámica conductoras mixtas iónico-electrónicas (MIEC) para la separación de oxígeno". Revista de ciencia de membranas . 320 (1–2): 13–41. doi :10.1016/j.memsci.2008.03.074.
  6. ^ Riess, yo (febrero de 2003). "Conductores mixtos iónicos-electrónicos: propiedades y aplicaciones de los materiales". Iónicos de estado sólido . 157 (1–4): 1–17. doi :10.1016/S0167-2738(02)00182-0.
  7. ^ ab Wu, Zhonglin (diciembre de 1996). "Modelado de propiedades de transporte ambipolar de conductores compuestos iónico-electrónicos mixtos". Iónicos de estado sólido . 93 (1–2): 65–84. doi :10.1016/S0167-2738(96)00521-8. S2CID  51917796.
  8. ^ Leng, Yongjun (julio de 2008). "Desarrollo de cátodos compuestos LSCF-GDC para pilas de combustible de óxido sólido de baja temperatura con electrolito GDC de película fina". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 33 (14): 3808–3817. doi :10.1016/j.ijhydene.2008.04.034.
  9. ^ ab Sholklapper, Tal (2006). "Cátodos de pilas de combustible de óxido sólido infiltrados con LSM". Letras electroquímicas y de estado sólido . 9 (8): A376 – A378. doi :10.1149/1.2206011.