Ordered mesoporous metal oxides for solid oxide fuel cells and gas sensors

Abstract

Nanomaterials have received increasing attention during the last decades in the solid state field since they play a major role as catalyst and catalyst supports for many applications including fuel cells or gas sensors. The interest is mainly due to their high specific surface area, which leads to an increase of performance and a cost-effective solution for expensive or rare materials. However, many studies have reported the collapse of nanostructures at high temperature as one of the main drawbacks for their implementation in real devices and therefore, routes to thermally stabilize these materials must be explored. In this thesis, the unique features of ordered mesoporous materials fabricated by nanocasting are exploited to create quasi-universal thermal stabilization methodologies, allowing implementing and evaluating them in high temperature energy applications e.g. solid oxide fuel cells. The work developed is divided into seven parts. The first chapter introduces the basics of mesoporous materials, solid oxide fuel cells, catalysis and gas sensors. The second chapter focuses on the experimental procedures and the characterization tools employed. In the third chapter, a novel route to thermally stabilize 3-D open mesoporous structures is presented. The next three chapters, show the fabrication and evaluation of thermal stable mesoporous materials as electrodes for solid oxide fuel cells. Finally, chapter seven presents the suitability of mesoporous ceramic oxides as functional materials in humidity sensors.

Los nano-materiales han recibido especial atención durante estas últimas décadas en el campo del estado sólido dado el importante papel que desempeñan como catalizadores y/o soportes catalíticos en diversas aplicaciones, tales como las pilas de combustible o los sensores de gas. Este interés se debe principalmente a su elevada área específica, que da lugar a una mejora del rendimiento y es una solución efectiva para aquellas aplicaciones que requieran materiales de elevado coste. Sin embargo tal y como señalan muchos estudios, el colapso de estas nano-estructuras a elevadas temperaturas es uno de los mayores inconvenientes para su implementación en dispositivos reales, siendo por tanto necesario explorar nuevas rutas que consigan estabilizar estos materiales térmicamente. El objetivo de la presente tesis es desarrollar metodologías cuasi-universales de estabilización térmica, mediante la explotación de las características exclusivas que poseen los materiales mesoporosos ordenados fabricados a partir de un template. Lo cual nos permite implementarlos y evaluarlos en aplicaciones energéticas que operan a elevada temperatura p.ej. pilas de combustible de óxido sólido. El trabajo desarrollado se divide en siete partes. El primer capítulo introduce los fundamentos de los materiales mesoporosos, las pilas de combustible de óxido sólido, la catálisis y los sensores de gas. En el segundo capítulo se detallan los procedimientos experimentales y las técnicas de caracterización empleados. El tercer capítulo presenta una nueva metodología para estabilizar térmicamente los materiales mesoporosos de estructura 3-D abierta. Los siguientes tres capítulos, muestran la fabricación y el comportamiento electroquímico de materiales mesoporosos térmicamente estables trabajando como electrodos de pilas de combustible de óxido sólido. Por último, en el capítulo siete se demuestra la viabilidad de los óxidos cerámicos mesoporosos como materiales funcionales en sensores de humedad.