Membrane ceramiche a base di BaCe0.65Zr0.20Y0.15O3-d-Ce0.85Gd0.15O2-d tramite 3D-printing.

Il presente lavoro di tesi descrive l'attività  sperimentale svolta presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari dell'Università  degli Studi di Modena e Reggio Emilia. Lo scopo del lavoro di seguito esposto ਠla realizzazione di una membrana base di BaCe0.65Zr0.20Y0.15O3-δ-Ce0.85Gd0.15O2-δ a conduzione mista protonica elettronica (MPEC) permeabile all'idrogeno utilizzando il metodo innovativo di stampa 3D. Questo sistema composito ਠattualmente uno dei materiali pi๠studiati per la separazione e la purificazione di H2 a temperature superiori di 600°C poichà© ha dimostrato possedere un'adeguata stabilità  chimica e meccanica nelle condizioni operative di lavoro. Tuttavia, i valori di permeabilità  all'idrogeno di questo sistema sono ancora notevolmente inferiori rispetto alle membrane metalliche a base di Pd e sue leghe, attualmente in commercio. Una strategia promettente per migliorare la performance di questi sistemi ਠquella di adottare una configurazione asimmetrica, costituita da film sottili densi supportati su substrati porosi. Tuttavia, in letteratura sono riportati pochi articoli relativi alla preparazione di membrane a configurazione asimmetrica: infatti, sono riportati solo pochi esempi di sistemi simili preparati tramite la metodologia co-pressing (Mortalಠet al.,Energy Environ. Sci.,2015). Solo recentemente ਠstato pubblicato un lavoro in cui viene preparata una membrana analoga tramite la tecnica del tape casting (Mercadelli et al., Ceramics International, 2017). Contrariamente, l'utilizzo a tal fine della tecnica del 3D-printing rappresenta una novità  assoluta. Difatti, a nostra conoscenza, tale tecnica non ਠstata ancora mai usata per la realizzazione di tali membrane, ed assicura notevoli vantaggi in termini di costi e tempi di produzione rispetto alle altre tecniche in uso in questo momento. Per la preparazione degli inchiostri utilizzati per la stampa 3D sono state impiegate polveri commerciali di BCZ20Y15 e polveri di GDC15 preparate tramite SSR. Nello specifico, le polveri di BCZ20Y15 e GDC15 sono state preventivamente miscelate nei giusti rapporti di volume tramite il metodo ball-milling con il mulino planetario. Successivamente, gli inchiostri sono stati preparati con la stessa tecnica, miscelando nei solventi opportuni le polveri del composito BCZ20Y15-GDC15 agli altri additivi organici impiegati (disperdente, legante, plastificante). Per la stampa della struttura asimmetrica poroso-densa ਠstata impiegata una stampante 3D home-made a microestrusione. La prima fase ha visto la stampa del supporto poroso tramite una procedura step by step che ha consentito l'ottenimento di un supporto dello spessore di circa 1-1.5 mm e diametro 20 mm in verde. Successivamente, sopra al supporto ottenuto ਠstato depositato, tramite una procedura analoga, l'inchiostro per l'ottenimento del film denso sottile. Il risultato ottenuto rappresenta un punto di partenza dal quale sviluppare e ottimizzare un prodotto che ha tutte le caratteristiche per diventare un'alternativa pi๠economica, efficiente e a minor impatto ambientale rispetto alle membrane metalliche a base di palladio e sue leghe in commercio oggi. Infatti le membrane a base di BaCe0.65Zr0.20Y0.15O3-δ-Ce0.85Gd0.15O2-δ, oltre a non impiegare metalli nobili rari preziosi e costosi, sono stabili in atmosfere aggressive anche in presenza di H2S (fino a 700 ppm), CO2, CO. Pertanto non necessitano nà© di sistemi di desulfurizzazione nà© di sistemi di riduzione di CO2 e CO. Inoltre, queste membrane, differentemente da quelle a base di palladio che possono lavorare solo fino a 350°C, operano ad elevate temperature (fino a 800°C) e possono quindi essere accoppiate direttamente ai reattori impiegati per il reforming del metano (che usualmente lavorano a temperature superiori a 700°C).