Προηγμένα περοβσκιτικά ηλεκτρόδια για ενεργειακές και καταλυτικές εφαρμογές

Abstract

It is without doubt that worldwide demand for energy is growing at an alarming rate. This increased demand is currently being met largely by reserves of fossil fuel that contribute to the greenhouse effect and pollute our planet. Those reserves are diminishing and they will become increasingly unaffordable in the near future. It is of great importance to adopt an energy policy, aiming to an emissions-free future based on sustainable energy. A fuel cell is an electrochemical device that provides efficient and clean power generation. Due to their unique operation and performance characteristics, solid oxide fuel cells (SOFCs) are suitable for distributed on-site cogeneration of heat and power. The SOFC is an important enabling technology for future sustainable energy systems. SOFCs, in particular, can be used with a wide variety of fuels, such as hydrogen, methane and other hydrocarbons. They are affected less by impurities than polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. This fuel tolerance is a result of the high operating temperature, which not only accelerates the fuel reactions, but also accelerates unwanted chemical reactions that can lead to degradation of materials. Therefore, progress in SOFCs relies heavily on materials development, and, although significant progress has been made over the past several decades, many technical challenges remain to be overcome before SOFCs can be widely commercialized. The sluggish kinetics for the oxygen reduction reaction (ORR) over conventional cathodes based on La1-xSrxMnO3-δ limits severely the commercialization of intermediate temperature (600-800°C) solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). Iron- and cobalt-containing perovskites La1-x-zSrxCoyFe1-yO3-δ (LSCF) have recently attracted significant attention as promising alternative cathode materials for IT-SOFCs, mainly due to their high mixed (electronic and ionic) conductivity, which results in enlargement of the available electrochemically active area, and their high oxygen surface exchange coefficients. However, these materials are neither thermally (different thermal expansion coefficients) nor chemically (formation of poorly conducting interlayers at high temperature) compatible with yttria-stabilized zirconia (YSZ), the standard electrolyte material currently used in SOFCs. As LSCF is chemically and thermally compatible with doped CeO2, the use of a Sm or Gd doped CeO2 (CSO and CGO, respectively) interlayer between LSCF cathode and YSZ has been proposed to overcome these problems. The aim of the present thesis is the electrochemical characterization of iron- and cobalt-containing perovskite electrodes of the general formula La1-x-ySrxCozFe1-zO3-δ, which are promising for use as cathode electrodes in IT-SOFCs, as well as the assessment of the catalytic activity of the these perovskite oxides for complete oxidation of CO and CH4. […]

Είναι γενικώς παραδεκτό ότι η «ζήτηση» για ενέργεια αυξάνεται με ταχύτατους ρυθμούς παγκοσμίως. Οι ενεργειακές ανάγκες καλύπτονται κυρίως από αποθέματα ορυκτών καυσίμων, η χρήση των οποίων όμως επιβαρύνει σημαντικά το περιβάλλον, καθώς τα εκπεμπόμενα από την καύση τους αέρια περιέχουν ρύπους (λ.χ. NOx) καθώς και ενώσεις υπεύθυνες για το φαινόμενο του θερμοκηπίου (greenhouse effect), με αναφορά κυρίως στο CO2. Επιπλέον, καθώς τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων εξαντλούνται, το κόστος τους γίνεται ολοένα και μεγαλύτερο. Απαιτείται λοιπόν μία αποτελεσματική ενεργειακή πολιτική, προσανατολισμένη σε εναλλακτικά καύσιμα, όπως το υδρογόνο, με απώτερο σκοπό την ευρύτερη χρήση αποδοτικών και φιλικών προς το περιβάλλον συστημάτων παραγωγής ενέργειας, όπως είναι οι κυψέλες καυσίμου. Μία κυψέλη καυσίμου είναι μία ηλεκτροχημική διάταξη, η οποία μετατρέπει την χημική ενέργεια ενός καυσίμου (όπως φυσικό αέριο, υδρογόνο, μεθανόλη) απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, με υψηλό βαθμό απόδοσης και με τρόπο φιλικό προς το περιβάλλον. Η υψηλή θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου με στερεό ηλεκτρολύτη (SOFCs) τις καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλες για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Τα συστήματα SOFC αποτελούν μία σημαντική τεχνολογία παραγωγής καθαρής ενέργειας και μπορούν να χρησιμοποιούν διάφορους τύπου καυσίμου, όπως υδρογόνο, μεθάνιο και άλλους υδρογονάνθρακες. Παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανοχή στις προσμίξεις των καυσίμων σε σύγκριση με τις κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (PEM), εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας τους, η οποία μολονότι επιταχύνει τις αντιδράσεις στα ηλεκτρόδια, ευνοεί επίσης μη επιθυμητές αντιδράσεις υπεύθυνες για την υποβάθμιση των υλικών του συστήματος. Παρά τις εντατικές έρευνες που έχουν γίνει στην περιοχή των SOFC την τελευταία δεκαετία, η ανάπτυξη νέων υλικών για χρήση σε αυτό τον τύπο κυψελών καυσίμου αποτελεί ακόμη και σήμερα ένα τεχνολογικό πρόβλημα που η λύση του θα συμβάλει στην ταχύτερη διείσδυση της τεχνολογίας αυτής στην αγορά. Περοβσκιτικά οξείδια που αντιστοιχούν στο γενικό τύπο La1-x-ySrxCozFe1-zO3-δ και περιέχουν σίδηρο (LSF) ή/και κοβάλτιο (LSCF) στα B-κέντρα, έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον των ερευνητών για εφαρμογή τους σε SOFC ενδιαμέσων θερμοκρασιών (600-800°C), καθώς σε αυτές τις θερμοκρασίες λειτουργίας εμφανίζουν υψηλότερη ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα από το state-of-the-art υλικό καθόδου La1-xSrxMnO3-δ (LSM) για την αντίδραση αναγωγής οξυγόνου, κυρίως επειδή είναι μικτοί (ηλεκτρονικοί και ιοντικοί) αγωγοί. Όμως, οι συντελεστές θερμικής διαστολής των υλικών αυτών διαφέρουν από εκείνο της σταθεροποιημένης με οξείδιο του υττρίου ζιρκονίας ZrO2(Y2O3) (ή YSZ), το στερεό ηλεκτρολύτη που συνήθως χρησιμοποιείται στα SOFCs, ενώ, επιπλέον, σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, τα περοβσκιτικά αυτά οξείδια αντιδρούν χημικά με την YSZ με αποτέλεσμα το σχηματισμό διεπιφάνειας προϊόντων μικρής αγωγιμότητας. Για την επίλυση των προβλημάτων αυτών, χρησιμοποιείται μεταξύ καθόδου (LSCF ή LSF) και YSZ ένα διαχωριστικό στρώμα από ντοπαρισμένο με Gd2O3 ή Sm2O3 οξείδιο του δημητρίου CeO2 (CGO και CSO, αντίστοιχα) λαμβανομένης υπόψη της χημικής και θερμικής συμβατότητας των υλικών αυτών με τα παραπάνω περοβσκιτικά οξείδια. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός περοβσκιτικών ηλεκτροδίων του γενικού τύπου La1-x-ySrxCozFe1-zO3-δ τα οποία μπορούν να βρουν εφαρμογή ως κάθοδοι σε SOFC ενδιαμέσων θερμοκρασιών, καθώς και η αξιολόγηση της καταλυτικής ενεργότητας των περοβσκιτικών αυτών οξειδίων για πλήρη οξείδωση CO και CH4. […]