Difracción de neutrones y simulación de caminos de conductividad en electrolitos Sr11Mo4O23 dopados con Al

Abstract

Recientemente, se ha reportado un gran número de trabajos donde se mencionan materiales para componentes de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Éstas celdas han cobrado interés, ya que son dispositivos que pueden convertir la energía química a eléctrica en un alto porcentaje (∼40-70%). Entre los desafíos actuales, se encuentra mejorar los componentes individuales, poniendo el énfasis sobre el electrolito: se busca mejorar la conductividad iónica, que sea un buen dieléctrico, y que opere a temperaturas inferiores a las actuales. En este sentido, un enfoque para generar mejores electrolitos, es aumentar la densidad de defectos en la red mediante sustituciones controladas con cationes aliovalentes. En virtud de esto, se estudió la fase Sr11Mo4O23−d: un electrolito con estructura semejante a una perovskita doble Sr1.75SrMoO5.75, el cual posee una conductividad inferior al de electrolitos como YSZ y LSGM. No obstante, mediante sustitución de Mo(VI) por cationes como Ti(IV) o Nb(V), se logró incrementar la conductividad de 13.1 a 18.0 y 27.0 mS cm−1 a 800oC, para el mejor exponente de cada familia, respectivamente. En el actual trabajo se aborda el análisis estructural avanzado y de propiedades de transporte de la familia Sr11Mo4−xAlxO23, cuya estructura fue reportada en estudios preliminares. A partir de datos de difracción de luz sincrotrón y de neutrones (DRXS y DN), y mediante análisis Rietveld fue posible: determinar con exactitud posiciones y ocupación de oxígeno; y, evidenciar que Al(III) se reparte en forma equimolar en dos sitios cristalográficos de la fase matriz, Sr3 y Mo2, dando lugar así a óxidos de fórmula Sr11−yMo4−yAlxO23−d, para x = 2y = 0.5, 1.0, y 1.5. Mediante espectroscopia de impedancia (EIS), y posterior tratamiento y análisis de espectros, se obtuvieron conductividades de 17.1, 13.4 y 10.4 mS cm−1 a 800oC para fases con xAl = 1.5, 1.0 y 0.5, respectivamente. Finalmente, a partir del fichero CIF que se obtiene luego de refinar, se calcularon mapas electrostáticos 3D basados en la teoría de enlace-valencia (BVEL), para simular caminos más probables de conducción a nivel atómico. Los resultados del cálculo se contrastaron con energías de activación experimentales, logrando muy buena concordancia entre los mismos. Así, este resulta un enfoque interesante, capaz de predecir a nivel atómico la conductividad del material bulk, en términos de energía de activación y camino más probable.