Structural study, computational analysis and structure-property correlations in anion conducting electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells

A combined experimental and theoretical approach has been used in order to investigate the local structural features that have an influence on ionic conductivity of IT-SOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell) electrolytes, in order to link the properties of these materials with their atomic and electronic structure. Doped delta-Bi2O3 and LaGaO3 electrolytes for AC-SOFC applications have been studied as model compounds for oxygen-ion diffusion in fluorite-like and perovskite-like materials, due to their incredibly high anion conductivity. A combined X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) and Density Functional Theory (DFT) study has been carried out with the aim to unveil the role of the dopants on the short range structure of these materials, to probe the preferential association of vacancies with both dopant and regular site cations, and to highlight the preferential oxygen-ion diffusion paths. This could help to define criteria for the design of new materials with improved properties. The influence of the electrode-electrolyte interface on the overall fuel cell ionic conductivity has been also addressed. To this aim, a novel protocol to evaluate electrode-electrolyte compatibility through Scanning X-Ray Microscopy (SXM) has been developed and cation interdiffusion has been successfully probed at the interface between some electrolyte-cathode couples.

Il presente lavoro propone lo studio di elettroliti ceramici per IT-SOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell). In particolare, lo scopo della tesi è analizzare le caratteristiche strutturali a corto raggio aventi un influenza sulla conducibilità ionica del materiale, al fine di collegare le proprietà degli elettroliti in esame con la loro struttura atomica ed elettronica. Gli elettroliti a conduzione anionica studiati sono la fase delta dell ossido di bismuto (delta-Bi2O3) e il lantanio gallato (LaGaO3). Data la loro elevatissima conducibilità anionica, tali materiali sono stati scelti come composti modello attraverso cui descrivere la diffusione di ioni ossigeno in elettroliti a struttura fluoritica e perovskitica. Il ruolo dei droganti sulla struttura a corto raggio di tali materiali è stata indagata mediante l utilizzo combinato della X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) e della Density Functional Theory (DFT), allo scopo di svelare l associazione preferenziale delle vacanze con i cationi (droganti e cationi del sito regolare) e individuare i cammini di diffusione dello ione ossigeno favoriti. Tali informazioni possono essere utilizzate nella definizione di criteri per la progettazione di nuovi materiali con migliorate proprietà. Nel presente lavoro è stata inoltre studiata l influenza dell interfaccia elettrodo/elettrolita sulla conducibilità ionica complessiva della cella a combustibile. A tal fine, è stato sviluppato un nuovo protocollo per la valutazione della compatibilità elettrodo/elettrolita mediante Scanning X-Ray Microscopy (SXM) e l interdiffusione cationica è stata rilevata con successo in alcune coppie catodo/elettrolita precedentemente sottoposte alle temperature operative della cella.