Perovskite materials as electrodes for solid oxide fuel cells active toward sustainable reactions

La tradizionale cella a combustibile ad ossido solido (SOFC) lavora tra gli 800 °C e i 1000 °C, tuttavia questa condizione induce un notevole deterioramento ed un conseguente aumento dei costi dei materiali. Lo sviluppo di nuovi materiali elettrodici per applicazioni SOFC, caratterizzati da un’alta attività a temperature intermedie (600-800 °C), è estremamente importante per la commercializzazione e il futuro di questa tecnologia. In questa ricerca, materiali perovskitici avanzati sono stati studiali come elettrodi per celle a combustibili ad ossido solido. Particolare attenzione è stata posta alla loro attività verso reazioni sostenibili (l’ossidazione e il reforming del metano) e alla formulazione di materiali privi di elementi del gruppo del platino e minimizzando la quantità di terre rare. Il metano è stato scelto grazie il suo ruolo come bio-combustibile nella diminuzione dell’impronta del carbonio (bio-gas, CH4 e CO2). Due tipi differenti di materiali perovskitici sono stati studiati per applicazioni SOFC, i titanati e i cobaltiti. Tutti i materiali sono stati preparati tramite il metodo dei citrati e caratterizzati con XRD, XPS, TPR, TPO, BET, SEM e EIS. Le attività catalitiche verso il metano (reforming e ossidazione) sono state misurate attraverso il GC. Tra i titanati studiati (SrTiO3 sostituito con Mo o Fe) solo SrTi0.9Mo0.1O3 infiltrato con il 15% wt ha mostrato una buona attività verso il reforming del metano (58% della conversione di CH4 a 800 °C) con un interessante resistenza di polarizzazione pari a 1.57 Ω cm2 a 800°C sotto flusso di 5% H2/Ar. I cobaltiti con struttura tipo Ruddlesden Popper, (LaSr)Co0.5M0.5O4 (M = Cu, Ni), sono stati invece studiati come elettrodi per SOFC simmetriche. La migliore attività catalitica è stata osservata su (LaSr)Co0.5Ni0.5O4 raggiungendo una conversione del 80% di CH4 a 800 °C nell’ossidazione del metano. Il comportamento elettrochimico di (LaSr)Co0.5M0.5O4 è stato testato in aria (catodo) e sotto flusso di 5% di metano (anodo) mostrando una resistenza di polarizzazione di 0.56 Ω cm2 e 0.94 Ω m2 a 800 °C rispettivamente. Al fine di andare a fondo sulle performance di questi materiali, sia in termini di MIEC che di attività catalitica, analisi di raggi X ad alta energia in situ e risolte nel tempo sono state condotte per analizzare i cambiamenti strutturali delle perovskiti a base di cobalto sotto condizioni impulsate. Gli esperimento sono stati condotti al European synchrotron radiation facility (ESRF) a Grenoble. L’alta reversibilità osservata nei cobaltiti ha rivelato il potenziale di questi materiali incoraggiando ulteriori studi su sistemi più complessi per celle SOFC simmetriche e reversibili. I dati raccolti hanno prodotto informazioni preziose sui cambi strutturali che avvengono durante l’attività catalitica.