Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el presente trabajo se aborda el proceso de fabricación y caracterización de una celda de combustible de óxido sólido SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) de tipo botón. Junto con ello se plantea el diseño de un módulo de medición intercambiable que permita realizar pruebas tanto de voltometría como de espectroscopía de impedancia electroquímica en celdas de combustible, todo esto en base a los requerimientos y limitantes propias de los equipos a disposición en el laboratorio de materiales avanzados perteneciente al departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile. El trabajo descrito en este documento detalla el proceso de fabricación de una celda de combustible de óxido sólido, conformada por un ánodo de óxido de níquel y circonia estabilizada con itria (NiO-YSZ), electrolito de circonia estabilizada con itria al 8% (YSZ-8), capa intermedia de barrera de ceria dopada con gadolinio Gd0.10Ce0.90O2-delta (GDC), y cátodo de lantano-estroncio-cobalto-ferrita (La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3-delta (LSCF). Debido a inconvenientes generados en las etapas de medición el cátodo fue reemplazado por praseodimio-bario-estroncio-cobalto-ferrita PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+delta (PBSCF). Para la fabricación de la celda se empleó el método de brush-printing o impresión por pincel, método utilizado en la aplicación de compuestos químicos en forma de solución sobre superficies especificas para un posterior sinterizado en horno. Para llevar a cabo las mediciones electroquímicas de la celda se realizó el diseño y fabricación de un módulo de medición de celdas capaz de operar en un horno para tubos marca Nabertherm modelo P330. Este módulo fue diseñado con el objetivo de dar un soporte a la celda de combustible, suministrar los gases necesarios para su operación y permitir la toma datos del potencial generado. No obstante debido a la carencia de equipos y suministro de gases, se optó por la utilización del dispositivo presente en el laboratorio de electroquímica del departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Universidad de Chile. Se realizaron con éxito las pruebas de voltaje de circuito abierto (OCV) y de polarización para la celda con cátodo de PBSCF, no así para la celda de LSCF la cual sufrió una rotura que imposibilitaba su uso. Los resultados indican un valor aceptable del OCV de la celda en comparación con otros estudios similares. No obstante, las curvas de polarización obtenidas si bien muestran un comportamiento similar a otros estudios, sus valores no corresponden en magnitud. Se concluye que la diferencia significativa de los datos obtenidos se debe a desperfectos en las conexiones primarias de la celda. Se descarta la presencia procesos de degradación, ya que escapan del rango mínimo de tiempo y condiciones necesarias para estos ocurran.

Ingeniero Civil Eléctrico / Durante el siguiente documento se muestra el proceso de construcción de una celda demostrativa para la producción de hidrógeno a partir de la electrólisis de agua potable a temperatura y presión ambiente. En conjunto de lo anterior, se propone diseñar e implementar un sistema capaz de separar y almacenar el hidrógeno y oxígeno. Para esto se considera la toma de las variables involucradas: diferencia de potencial en los bornes de la celda, corriente que circula por la celda y el volumen de hidrógeno y oxígeno producido. El sistema está compuesto por la celda encargada de hacer la electrólisis, un estanque encargado de almacenar el hidrógeno, otro estanque encargado de almacenar el oxígeno, una toma de agua potable y una llave de paso encargada del llenado simultáneo de la celda y los estanques. La estructura de la celda se construye en acrílico de 10 mm de espesor. Esta está constituida por 2 partes principales: Parte superior: encargada de proporcionar separadores para los electrodos, una entrada para el ingreso del agua y un sistema encargado de separar los gases. Parte inferior: encargada de proporcionar una salida del agua, soportar la estructura, soportar los electrodos y proporcionar de un sistema eléctrico para la alimentación de la celda. Para el almacenamiento de los gases se utilizan estanques llenos de agua: al momento de ser producido el hidrógeno y el oxígeno, éstos desplazan al agua contenida en los estanques. Se le realizaron dos pruebas a la celda, para determinar los dos tipos de eficiencias que interesan para este trabajo: eléctrica y térmica. Este concepto mide el cociente entre la energía que se puede recuperar del sistema en función de la energía utilizada para su producción. La eficiencia eléctrica considera que se recupera dicha energía en forma de electricidad, mientras que la eficiencia térmica contempla que se puede recuperar en la combustión del hidrógeno. Los resultados fueron los siguientes: En la primera prueba se inyectan 3,2 [A] y 3,15 [V] en los bornes de la celda, en la cual se obtuvo una eficiencia eléctrica del 43,8% y una eficiencia térmica del 51,9%. En la segunda prueba se inyectan 8,7 [A] y 4,2 [V] en bornes de la celda, en la cual se obtuvo una eficiencia eléctrica del 33,4% y una eficiencia térmica del 39,6%.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ciencia de los Materiales / Se presentan los resultados de un estudio experimental sobre la formación de películas de circonia mediante anodización de circonio en una solución 1M (NH4)2SO4 en presencia de NH4F en el rango de concentraciones de 0,40 -1,2 g/L, efectuado a 30°C. El estudio se realizó basado en el uso de metodologías electroquímicas, principalmente voltametría cíclica y cronoamperometría de uno a varios pulsos, complementado los resultados con la caracterización de la morfología y estructura de las películas de circonia, mediante SEM. El estudio experimental se efectuó en bajo rango de potenciales, hasta +1,00 V vs Ag/AgCl, muy por debajo del rango usual utilizado para la nanoestructuración de este material (+20 - +50 V). Este enfoque permitió caracterizar por primera vez en detalle los mecanismos subyacentes del proceso mediante las técnicas electroquímicas. Los resultados de este estudio muestran que la naturaleza del mecanismo de acción del NH4F sobre la formación de películas de circonia cambia radicalmente según el rango del potencial anódico aplicado: a) En el rango -0,20 a +0,60 V vs Ag/AgCl la corriente de anodización aumenta principalmente ligado al efecto disolvente del NH4F sobre la circonia, lo que resulta en la porificación de este material; b) A potenciales sobre +0,60 V vs Ag/AgCl si bien continua la porificación, la corriente aumenta adicionalmente de manera más intensa como producto del inicio de la oxidación del agua. Se postula que el inicio de esta reacción es gatillada por la incorporación de iones flúor en la circonia, lo que induce propiedades de conducción eléctrica del tipo de semiconductor tipo n en el material. El efecto disolvente del NH4F sobre películas de circonia, que resulta en la porificación de este material, aumenta fuertemente con la concentración de este reactivo en el rango 0,4-1,2 g/L, y con el potencial aplicado en el rango +0,60 - +1,00 V vs Ag/AgCl. La acción química de porificación del NH4F, sin aplicación de potencial, es prácticamente despreciable. En el rango de potenciales en que se gatilla la oxidación del agua se inicia también la naoestructuración de la circonia, iniciándose como formaciones dendríticas a +0,70 V vs Ag/AgCl y resultando en la formación una estructura de nanohilos de circonia a +1,00 V vs Ag/AgCl. Este es el primer trabajo que reporta nanoestructuración de la circonia en un rango de potenciales tan bajo, muy alejado de las condiciones convencionales. La estructura de la circonia nanoestructurada obtenida a +1,00 V vs Ag/AgCl muestra presencia de alta porosidad y zonas vacías elongadas en el sentido del campo eléctrico al interior de la circonia, lo que sugiere que el fenómeno de evolución de oxígeno está de alguna manera involucrado en el mecanismo de nanoestructuración. Esta es una novedosa hipótesis producto de este trabajo, que requiere ser investigada con mayor detalle.

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo consiste en un estudio de las características ferroelásticas de materiales cerámicos a utilizar en la fabricación de celdas sólidas, es decir se busca realizar ensayos de compresión a distintos materiales cerámicos ferroicos, y estudiar sus curvas de deformación/esfuerzo, que en caso de presentar ferroelasticidad serían no lineales debido a un cambio de dominios producido por el esfuerzo aplicado y deberían presentar creep a temperatura ambiente. Para esto se fabrican las piezas necesarias para los procesos de sinterizado de las probetas, y para el posterior corte y pulido, con lo que se fabrican probetas de LaCoO_3 (LCO), La_0.6 Sr_0.4 Co_0.1 Fe_0.9 O_(3-δ) (LSCF) y La_0.6 Sr_0.4 Ni_0.1 Fe_0.9 O_(3-δ)(LSNF). Estas probetas se someten a ensayos de compresión a 60[MPa], 90 [MPa] y 150 [MPa] donde son comprimidas y luego se mantiene la carga máxima durante 1 hora para evaluar presencia de creep ferroelástico. Durante estos ensayos, se miden las deformaciones sobre las probetas usando un extensómetro, y 2 cámaras de alta resolución de forma independiente. Las probetas de LSNF resultaron ser muy frágiles, y se fracturaron durante los primeros ensayos, por lo que estas fueron limitadas solo a 90 [MPa], mientras que las de LSCF se comprimieron hasta 150 [MPa] logrando hacer su cambio de dominio completo. Del trabajo realizado se observa que las probetas de LCO, LSCF y LSNF presentan comportamiento ferroelástico, siendo esta ultima la que tiene un comportamiento más leve debido a la baja presencia de una estructura cristalina romboédrica en comparación a la ortorrómbica. Además, se logra evaluar las cámaras como sensor de deformación en elementos de bajo tamaño, de forma satisfactoria, identificando movimientos y deformaciones muy pequeñas, pero, con el costo de tener un ruido intrínseco a cada medición de deformación ya que requiere la obtención de 4 puntos para esto. Además, se detectaron problemas en la celda de carga de 100 [kN] de la máquina de compresión, la cual genera grandes oscilaciones en los esfuerzos aplicados aun cuando se debe mantener a esfuerzo constante, esto pudo ser notado gracias a los gráficos de desplazamiento y deformación obtenidos por las cámaras. Aun así, se puede atribuir una reducción en la ferroelasticidad de las probetas al dopar con níquel, encontrando cambios de pendiente menos severos mientras que el dopaje con hierro y estroncio reducía los puntos críticos. Las cámaras también permitieron encontrar 2 problemas, se obtuvieron módulos de Young más bajos de los esperado en ensayos similares, esto puede ser atribuido a problemas por la celda de carga (ya que en algunas zonas el esfuerzo es mucho mayor al que se espera), por caras de las probetas que no fueron pulidas satisfactoriamente ya que se detectaron concentraciones de esfuerzo que generaron grietas en los materiales y a una baja porosidad en algunas de las probetas (cuyo origen también se puede relacionar a las celdas de carga). / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por proyecto FONDECYT de Iniciación 11160202

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Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, mención Ingeniería Química y Biotecnología / Las fuentes de energía limpias y sostenibles deben ser consideradas una base importante para el futuro crecimiento y desarrollo económico de cualquier país. Actualmente, el suministro mundial de energía depende en gran medida de los combustibles fósiles. Esto conlleva a que tecnologías tales como las celdas foto-electroquímicas se vuelvan especialmente atractivas, ya que permiten usar energía solar para producir hidrógeno. El funcionamiento de las celdas foto-electroquímicas se basa en el uso de semiconductores como electrodos, que al ser irradiados generan pares hueco-electrón, los cuales pueden migrar en la superficie del semiconductor y reaccionar con las especies adsorbidas o recombinarse entre sí. El hueco electrónico generado por la migración de un electrón puede oxidar una molécula de agua para producir oxígeno en el ánodo, mientras que los electrones generados viajan hacia el cátodo para reducir los protones presentes en el agua formando hidrógeno El presente trabajo de tesis tuvo como objetivo general la sintesis (a través de los métodos de electrodeposición y de spin-coating) y caracterización del desempeño de foto-ánodos basados en óxidos de molibdeno para la producción de hidrógeno en una celda foto-electroquímica a partir de electrólisis de agua. Películas de óxido de molibdeno dopadas con niquel y sin dopar se electrodepositaron aplicando un potencial de -1,377 V vs Ag / AgCl (KCl 3 M) durante 3 horas en un vidrio de cuarzo cubierto con dióxido de estaño dopado con flúor - FTO - sumergido en soluciones acuosas de molibdato-citrato a pH 9. Por otra parte, se depositaron peliculas de MoOx, WO3 y MoOx dopado con W sobre vidrio de aluminoborosilicato recubierto con óxido de estaño dopado con flúor. Este proceso se realizó mediante spin-coating a 4000 rpm durante 40 segundos. La caracterización de los foto-ánodos fabricados a través de electrodeposición y spin-coating sugiere que presentan propiedades semiconductoras y catalíticas que los hacen atractivos para su uso en una celda foto-electroquímica para la hidrólisis del agua. Sin embargo, aunque los foto-electrodos sintetizados a través de las técnicas mencionadas tienen un intervalo de banda prohibida óptimo para aprovechar eficientemente la luz solar, la caracterización foto-electroquímica mostró que estos electrodos no exhiben una estabilidad en solución acuosa y que son susceptibles a la foto-corrosion, que son factores limitantes para el uso de semiconductores convencionales como foto-electrodos.

Ingeniero Civil Mecánico / El aumento exponencial de los requerimientos energéticos a nivel mundial en las últimas décadas, junto a un aumento paulatino de la población exige un cambio hacia formas de energía más limpias. Dado lo anterior, las celdas de óxido reversible (RSOFCs), han sido materia de estudio durante las últimas décadas, exhibiendo gran potencial como una alternativa limpia de generación energética. Sin embargo, requerimientos como una buena conductividad iónica y eléctrica y resistencia a altas temperaturas, ha significado costos excesivos en materiales, tanto para su formación como por el deterioro durante su uso. En este sentido, el principal motor de desarrollo para esta tecnología consiste en encontrar nuevos materiales para su uso a temperaturas menores y que, al mismo tiempo, tengan las características requeridas para el funcionamiento físico y químico de las mismas. Este último desafío considera la principal motivación de esta memoria. Uno de estos materiales consiste en el La2NiO4+delta (LNO), el cual ha presentado reportes de mejoras notable en las propiedades electroquímicas del mismo al ser dopado con otras especies. En este sentido, el objetivo general de esta memoria consiste en la fabricación y caracterización de las propiedades mecánicas de LNO dopado con estroncio y bario. Para lograr el objetivo principal, se desprenden una serie de objetivos específicos que consideran la preparación de material LNO con respectivo dopaje de Sr 2+y Ba 2+, el estudio de las propiedades del material mediante diversos procesos y variaciones de los mismos y el análisis y discusión sobre la posibilidad del uso del material sintetizado como electrodo de oxígeno en celdas de óxido sólido reversibles. Para esto, se desarrolla una metodología que consiste en la fabricación de muestras de La1.8M0.2NiO4+delta (M: Sr 2+y Ba 2+) mediante el método sonoquímico. Luego, se realizan una serie de pruebas para caracterizar el material en diversas propiedades, las cuales incluyen TG, BET, XRD y HRTEM para caracterización estructural, ensayos de ICT e indentación para la obtención de módulo de elasticidad, dureza y tenacidad a la fractura, en término de sus propiedades mecánicas. Finalmente, se logran obtener variados valores de microdureza y tenacidad la fractura para distintas configuraciones de dopantes y temperaturas de sinterizado. Se concluye que en general las propiedades del material con dopantes son mejoradas debido a un cambio en la microestrctura del material que lo hace más resistente y con un módulo mayor, sin embargo, menos tenaz, ligado al aumento de las propiedades electroquímicas ya reportadas. En particular, para el dopaje con bario, se obtiene una microdureza de 8.93 [GPa], tenacidad a la fractura de 1.96 [MPa m^{1/2}] y módulo de Young consistente en 147.8 [GPa]. Los objetivos son cumplidos a cabalidad. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto FONDECYT N° 11160202

Ingeniero Civil Mecánico / Ante la búsqueda de alternativas a los recursos energéticos basados en la combustión de combustibles fósiles globalmente se ha aumentado la investigación para implementar el uso de energías renovables no convencionales que sean limpias y no contaminantes. Es por esto que surge la alternativa de las celdas sólidas de conversión de energía, que convierten la energía química de un combustible gaseoso en electricidad realizando una serie de reacciones electroquímicas sin hacer combustión. Debido a esto, las celdas sólidas de conversión de energía no se rigen por el ciclo de Carnot, por lo que las celdas sólidas de conversión de energía poseen mayores eficiencias que las tecnologías tradicionales que si utilizan la combustión. Pero las aplicaciones comerciales de las celdas están limitadas por los altos costos de los materiales que las componen, es por esto que la investigación se enfoca en la reducción de los costos de los materiales a utilizar. El objetivo general de este tema de memoria es la fabricación y caracterización de una aleación de La0.8Sr0.15Ba0.05Ga0.8Mg0.2O3-d como material de electrolitos para celdas sólidas de conversión de energía. En particular se estudiará la estructura cristalina y morfología de nanopolvos de LSBGM, se fabricaran discos densificados de LSBGM y se estudiará la conductividad iónica del compuesto, comparando sus propiedades con los materiales de la literatura y con una aleación de La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-d. Los alcances del trabajo contemplan la fabricación de LSGM y LSBGM, mediante método sonoquímico y sol-gel para la posterior fabricación de discos densificados para estudiar su conductividad iónica, no se considera la fabricación de una celda sólida de conversión de energía, si no el estudio de materiales que pueden formar un electrolito para estas celdas. Dentro de los resultados obtenidos, se tiene un tamaño de partículas de aproximadamente 271 nm para LSBGM y 465 nm para LSGM, y se obtienen conductividades iónicas de s = 0,038 [S/cm] para LSBGM a 600ºC y s = 0,037 [S/cm] para LSGM a 600ºC. Finalmente se logra fabricar una aleación de La0.8Sr0.15Ba0.05Ga0.8Mg0.2O3-d mediante el método sol-gel, con propiedades eléctricas similares a las reportadas en la literatura.