Nuevos materiales para conversión y almacenamiento de energíaun paso hacia la economía del hidrógeno

Resumen

La implantación de la economía del hidrógeno requiere la investigación y desarrollo de nuevos materiales para dispositivos que permitan su conversión en energía eléctrica y su almacenamiento. En esta Tesis hemos trabajado en ambos aspectos; por un lado hemos diseñado, preparado y caracterizado nuevos materiales de electrodo (cátodos y ánodos) para pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), que finalmente han sido evaluados en monoceldas; en segundo lugar hemos desarrollado nuevos materiales basados en magnesio capaces de almacenar cantidades importantes de hidrógeno en forma de hidruros. En ambos casos hemos realizado estudios estructurales que nos han permitido establecer una correlación entre la estructura y las propiedades de interés, para así poder entender los factores que explican dichas propiedades y ser capaces de optimizarlas. Se ha diseñado y sintetizado unas nuevas series de óxidos basados en la perovskita SrMoO3. Estos óxidos se han evaluado como ánodos en monoceldas SOFC presentando un extraordinario rendimiento con densidades de potencia cercanas a 1 W/cm2 a 850 ºC con hidrógeno como combustible. Este gran rendimiento se basa en la asociación de una alta conductividad electrónica (SrMoO3 ~104 S·cm-1) junto con las vacantes de oxígeno inducidas por el dopaje químico seleccionado, que permiten el transporte iónico adecuado. Estos ánodos se presentan como una alternativa razonable a los cermets habituales, permitiendo una disminución de la temperatura de trabajo de los dispositivos SOFC. En cuanto a cátodos, se ha conseguido sintetizar y evaluar la nueva familia de pirocloros R2RuMnO7 (R= tierras raras) que evidencian un cierto grado de desorden del Mn entre las posiciones A y B dando lugar a un incremento de la concentración de vacantes de oxígeno que proporciona la requerida movilidad iónica. Se evaluaron en monoceldas presentando buenos valores, lo que nos permite proponerlos como posibles cátodos con estructura pirocloro para SOFC. Se ha logrado preparar las fases oxidadas y reducidas de las perovskitas La0.5Sr0.5M0.5Ti0.5O3-¿ (M= Co, Mn y Fe) y La2ZnMnO6 que por tanto son estables en las condiciones oxidantes del cátodo y reductoras del ánodo. Varias fases muestran transiciones de fase al calentar dando lugar a una secuencia de estructuras progresivamente menos distorsionadas. Sus buenos valores de conductividad a las temperaturas de trabajo hacen a estas perovskitas buenos candidatos como electrodos simétricos en SOFC de temperatura intermedia como demuestran los valores de densidad de potencia de las monoceldas. En segundo lugar se ha explorado la formación de nuevos hidruros complejos a partir de hidruros simples con un interés potencial en el campo del almacenamiento de hidrógeno; el factor clave para conseguir una adecuada reversibilidad de los hidruros es el dopado químico de MgH2 con ciertos elementos de transición. Se ha preparado, por un proceso de síntesis sencillo, el hidruro ternario Mg2NiH4 utilizando una técnica mecánica de molienda con bolas, sin la necesidad del uso de hidrógeno gas para su preparación. Se ha conseguido reducir la temperatura de desorción con respecto al hidruro MgH2 puro, debido a que la incorporación del Ni reduce la estabilidad química del compuesto. La técnica de síntesis a alta presión hidrostática se ha empleado también con éxito para preparar nuevos hidruros complejos con diferentes estructuras. Se han preparado los hidruros ternarios Na1-xLixMgH3 con estructura perovskita y los hidruros complejos Mg2MHx (M= Fe, Fe0.5Co0.5, Co y Ni). Gracias a la difracción de neutrones se pudieron refinar las posiciones y los factores de ocupación y de desplazamiento de los átomos de H; el refinamiento condujo a contenidos de hidrógeno próximos a los estequiométricos. Se estudió el ciclado y la reversibilidad de la absorción-desorción de hidrógeno de Mg2NiH4 a 10 bar H2 durante más de 10 ciclos; se propuso un mecanismo de desorción que involucra un primer paso en que se ceden hidrógenos lábiles, dando lugar a una transformación estructural del producto que posteriormente se deshidrogena, reversiblemente, en la aleación Mg2Ni.