Conductor mixto

Los conductores mixtos , también conocidos como conductores mixtos de iones y electrones (MIEC), son materiales monofásicos que presentan una conductividad iónica y electrónica significativa . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Debido a la conductividad mixta, una especie formalmente neutra puede transportarse en un sólido y, por lo tanto, se posibilita el almacenamiento y la redistribución de masa. Los conductores mixtos son bien conocidos en combinación con la superconductividad de alta temperatura y son capaces de capacitar reacciones rápidas en estado sólido .

Se utilizan como catalizadores (para oxidación), membranas de permeación , sensores y electrodos en baterías y pilas 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+d ,óxido de cerio(IV)(CeO₂),fosfato de hierro y litio(LiFePO₄) yLiMnPO₄son 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 resultar en 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 defectos como estos ofrecen vías adicionales que favorecen la difusión rápida. ^[⁵^] Otros materiales prometedores incluyen aquellos con estructuras de tipo pirocloro , brownmillerita , Ruddlesden-Popper y ortorrómbico K ₂ NiF _4.^[⁵^]

Sin embargo, los MIEC verdaderos (monofásicos) que sean compatibles con otros parámetros de diseño pueden ser difíciles de encontrar, por lo que muchos investigadores han recurrido a los 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 la modificación 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

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) y las celdas de electrólisis (SOEC) más avanzadas incorporan con frecuencia electrodos fabricados con materiales MIEC. Las SOFC son únicas entre las pilas de combustible, ya que los iones con carga negativa (O₂⁻ ⁾ se transportan del cátodo al ánodo a través del electrolito , lo que hace que los materiales catódicos MIEC sean fundamentales para lograr un alto rendimiento. Estas pilas de combustible funcionan con la siguiente reacción de oxidación-reducción:

Reacción anódica : _2H₂ + ^2O₂⁻ → _2H₂O + ^4e⁻

Reacción del cátodo : O ₂ + 4e ⁻ → 2O ²⁻

Reacción celular global : _2H₂ + _O₂ → _2H₂O

Los MIEC, como el ferrito de cobalto de estroncio y lantano (LSCF), son frecuentemente objeto de investigación en pilas de combustible modernas, ya que permiten que la reacción de reducción se produzca en toda la superficie del cátodo en lugar de solo en la interfaz cátodo/electrolito. ^{[ 8 ]}

Uno de los materiales de electrodo de oxígeno (cátodo) más utilizados es el H-MIEC LSM-YSZ, que consiste en manganita de lantano y estroncio (LSM) infiltrada sobre un andamio de ZrO₂ dopado con Y₂O₃ _._[ 9 ^]^Las^{nanopartículas} de LSM se depositan en las paredes del andamio poroso de _YSZ para proporcionar una vía conductora electrónica y una alta densidad de TPB para que se produzca la reacción de reducción. ^[⁹^]

Véase también

Referencias

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[6] Riess, I (febrero de 2003). "Conductores iónicos-electrónicos mixtos: propiedades de los materiales y aplicaciones". Solid State Ionics . 157 ( 1–4 ): 1–17 . doi : 10.1016/S0167-2738(02)00182-0 .

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[8] Leng, Yongjun (julio de 2008). "Desarrollo de cátodos compuestos LSCF–GDC para pilas de combustible de óxido sólido de baja temperatura con electrolito de película delgada de GDC". International Journal of Hydrogen Energy . 33 (14): 3808–3817 . Bibcode : 2008IJHE...33.3808L . doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.04.034 .

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