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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 conducción significativa iónica y electrónicamente . [1] [2] [3] Debido a la conducción mixta, una especie formalmente neutra puede transportarse en un sólido y, por lo tanto, se habilita el almacenamiento y la redistribución de masa. Los conductores mixtos son bien conocidos en conjugación con la superconductividad de alta temperatura y pueden capacitar reacciones rápidas en estado sólido .

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

Titanato de estroncio ( SrTiO 3 ), dióxido de titanio ( TiO 2 ), (La,Ba,Sr)(Mn,Fe,Co)O
3−d,La2CuO
4+díasEl óxido de cerio (IV) ( CeO 2 ), el fosfato de hierro y litio ( LiFePO 4 ) y el 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 a través de la formación de huecos e introducir conductividad iónica mediante el desarrollo de vacantes de oxígeno. [4] Este mecanismo se conoce como teoría de defectos, que establece que los defectos como estos ofrecen vías adicionales que favorecen la difusión rápida. [5] Otros materiales prometedores incluyen aquellos con pirocloro , brownmillerita , Ruddlesden-Popper y estructuras ortorrómbicas de tipo K2NiF4 . [ 5 ]

Sin embargo, puede resultar difícil encontrar MIEC (monofásicos) verdaderos 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 la conducción de iones y otra para la conducción de electrones o huecos. [6] Estos materiales son deseables por la capacidad de ajustar sus propiedades para aplicaciones específicas mediante el ajuste de los niveles de concentración para lograr un transporte óptimo de electrones e iones. [7] Los H-MIEC porosos también incorporan una tercera fase en forma de poros, que permiten la formación de límites de triple fase (TPB) entre las tres fases que proporcionan una alta actividad catalítica. [7]

Aplicaciones

SOFC/SOEC

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

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

Reacción del ánodo : 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e −
Reacción del cátodo : O 2 + 4e − → 2O 2−
Reacción celular general : 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Los MIEC como la ferrita de lantano-estroncio-cobalto (LSCF) son frecuentemente objeto de investigación en celdas de combustible modernas, ya que permiten que la reacción de reducción ocurra sobre toda la superficie del cátodo en lugar de solo en la interfaz cátodo/electrolito. [8]

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

Véase también

Referencias

  1. ^ abc «Conductores mixtos». Instituto Max Planck de investigación del estado sólido . Consultado el 16 de septiembre de 2016 .
  2. ^ I. Riess (2003). "Conductores iónicos-electrónicos mixtos: propiedades materiales y aplicaciones". Solid State Ionics . 157 (1–4): 1–17. doi :10.1016/S0167-2738(02)00182-0.
  3. ^ ab Chia-Chin Chen; Lijun Fu; Joachim Maier (2016). "Almacenamiento y eliminación de masa ultrarrápida y sinérgica en conductores mixtos artificiales". Nature . 536 (7615): 159–164. Bibcode :2016Natur.536..159C. doi :10.1038/nature19078. PMID  27510217. S2CID  54566214.
  4. ^ ab Teraoka, Y. (enero de 1988). "Conductividad iónica-electrónica mixta de óxidos de 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 cerámicas de conducción iónica-electrónica mixta (MIEC) para la separación de oxígeno". Journal of Membrane Science . 320 (1–2): 13–41. doi :10.1016/j.memsci.2008.03.074.
  6. ^ Riess, I (febrero de 2003). "Conductores iónicos-electrónicos mixtos: propiedades materiales y aplicaciones". Solid State Ionics . 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 iónicos-electrónicos mixtos compuestos". Solid State Ionics . 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 celdas de combustible de óxido sólido de baja temperatura con electrolito GDC de película delgada". 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". Electrochemical and Solid-State Letters . 9 (8): A376–A378. doi :10.1149/1.2206011.