APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

El desenvolupament de l'emmagatzematge d'energia és essencial per facilitar la transició cap a un sistema energètic sostenible. Permet la integració efectiva de fonts renovables intermitents, com la solar i l'eòlica, capturant l'excés d'energia generada i alliberant-la segons la demanda. Aquest treball es va centrar en l'estudi electroquímic i físic/químic de l'òxid de ceri dopat amb gadolini (Gd-CeO2) i l'òxid de ceri pur (CeO2), amb l'objectiu d'avaluar-ne l'aplicació potencial com a materials en emmagatzematge d'energia, i sabent que aquests materials són clau en la generació d'energia a través de cel·les de combustible d'òxid sòlid per la seva conductivitat iònica i propietats catalítiques. Al llarg del treball es van realitzar estudis electroquímics, com la voltamperometria cíclica (CV), per tal d'analitzar-ne el comportament electroquímic, i tècniques de caracterització de materials, com la difracció de raigs X (XRD) i l'espectroscòpia Raman, per estudiar l'estructura i les propietats dels materials esmentats. Gràcies als experiments, es va poder avaluar el comportament catalític dels materials en diferents ambients i amb diferents composicions, assajant els materials tant per si sols, com amb l'addició de carbon black (CB), material que ajuda a augmentar la conductivitat elèctrica dels materials base. Un cop estudiats els seus comportaments catalítics, es van estudiar els materials, aquesta vegada només amb l'addició de CB, no per si sols, en un ampli rang de voltatges, amb el propòsit de determinar el rang de voltatge d'operació dels compostos anomenats. Els resultats obtinguts van suggerir que els materials són capaços de treballar a voltatges baixos. Així doncs, finalment es va buscar i va aconseguir validar la seva possible aplicació com a elèctrode en supercapacitors híbrids.

El desarrollo del almacenamiento de energía es esencial para facilitar la transición hacia un sistema energético sostenible. Permite la integración efectiva de fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica, al capturar el exceso de energía generada y liberarla según la demanda. El presente trabajo se centró en el estudio electroquímico y físico/químico del óxido de cerio dopado con gadolinio (Gd-CeO2) y el óxido de cerio puro (CeO2), con el objetivo de evaluar su potencial aplicación como materiales en almacenamiento de energía, y sabiendo que dichos materiales son clave en la generación de energía a través de celdas de combustible de óxido sólido debido a su conductividad iónica, y propiedades catalíticas. A lo largo del trabajo se realizaron estudios electroquímicos, como la voltamperometría cíclica (CV), con el fin de analizar su comportamiento electroquímico, y técnicas de caracterización de materiales, como la difracción de rayos X (XRD) y la espectroscopia Raman, para estudiar la estructura y las propiedades de dichos materiales. Gracias a los experimentos, se pudo evaluar el comportamiento catalítico de los materiales en diferentes ambientes y con diferentes composiciones, ensayando los materiales tanto por sí solos, como con la adición de carbon black (CB), material que ayuda a aumentar la conductividad eléctrica de los materiales base. Una vez estudiados sus comportamientos catalíticos, se estudiaron los materiales, esta vez, solo con la adición de CB, no por sí solos, en un amplio rango de voltajes, con el propósito de determinar el rango de voltaje de operación de los compuestos nombrados. Los resultados obtenidos sugirieron que los materiales son capaces de trabajar en voltajes bajos. Así pues, finalmente se buscó y consiguió validar su posible aplicación como electrodo en supercapacitores híbridos.

Les piles de combustible d'òxid sòlid (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) són dispositius electroquímics que converteixen l'hidrogen en energia directament. Posseeixen tres components: un ànode de níquel i circona estabilitzada amb ítria (Ni-YSZ), un electròlit de YSZ i un càtode compost d'una perovskita de cobalt-ferrita. A més de presentar un bon rendiment electroquímic, les SOFCs han de presentar un bon comportament mecànic. L'objectiu d'aquest treball és l'estudi micromecànic, mitjançant la tècnica d'indentació instrumentada, de noves formulacions de Ni-YSZ usades com a ànode i material suport a les SOFCs, per determinar-ne la integritat mecànica. S'ha estudiat l'estabilitat mecànica de dues cel·les, una nova i una usada durant 20.500 h, mitjançant l'assaig de duresa Vickers. S'han obtingut els valors de duresa de l'ànode i càtode de totes dues cel·les i s'han comparat amb els valors aconseguits mitjançant la nanoindentació. Excepte pels valors de l'ànode usat, els valors obtinguts per tots dos mètodes s'han assemblat. S'ha analitzat la disparitat entre els valors de duresa de l'ànode usat i s'han estudiat els mecanismes de degradació que han pogut provocar canvis en les propietats mecàniques de les cel·les amb el temps.

Las pilas de combustible de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) son dispositivos electroquímicos que convierten el hidrógeno en energía directamente. Poseen tres componentes: un ánodo de níquel y circona estabilizada con itria (Ni-YSZ), un electrolito de YSZ y un cátodo compuesto de una perovskita de cobalto-ferrita. Además de presentar un buen rendimiento electroquímico, las SOFCs deben presentar buen comportamiento mecánico. El objetivo de este trabajo es el estudio micromecánico, mediante la técnica de indentación instrumentada, de nuevas formulaciones de Ni-YSZ usadas como ánodo y material soporte en las SOFCs, para determinar su integridad mecánica. Se ha estudiado la estabilidad mecánica de dos celdas, una nueva y una usada durante 20.500 h, mediante el ensayo de dureza Vickers. Se han obtenido los valores de dureza del ánodo y cátodo de ambas celdas y se han comparado con los valores conseguidos mediante la nanoindentación. Salvo por los valores del ánodo usado, los valores obtenidos por ambos métodos se han asemejado. Se ha analizado la disparidad entre los valores de dureza del ánodo usado y se han estudiado los mecanismos de degradación que han podido provocar cambios en las propiedades mecánicas de las celdas con el tiempo.

Les properes generacions de plantes de Potència Solar Concentrada (CSP) pretenen augmentar la seva eficiència operant a temperatures més altes. No obstant això, això planteja desafiaments relacionats amb la corrosió de les aliatges metàl·liques utilitzades per a la construcció. Aquest estudi examinarà dos enfocaments diferents per mitigar la corrosió de l'acer inoxidable dúplex DS2205 en sals de carbonat fos. Les proves de corrosió es realitzen a 600°C durant un període de 500 hores. El primer enfocament implica dopar les sals fosques amb nanopartícules utilitzant nanopartícules d'alúmina i sílice. El segon enfocament consisteix en un tractament superficial utilitzant irradiació làser en un patró de paral·lelogram. La caracterització de les mostres es va realitzar utilitzant tècniques analítiques com la microscòpia electrònica de rastreig (SEM). Els resultats van mostrar corrosió oxidativa de la superfície de l'acer i la presència d'una capa d'òxid. Es va observar que els tractaments aplicats tenien efectes positius en la composició i concentració d'elements en aquestes capes d'oxidació.

Las próximas generaciones de plantas de Concentración Solar de Energía (CSP) tienen como objetivo aumentar su eficiencia operando a temperaturas más altas. Sin embargo, esto plantea desafíos relacionados con la corrosión de las aleaciones metálicas utilizadas en su construcción. Este estudio examinará dos enfoques diferentes para mitigar la corrosión del acero inoxidable dúplex DS2205 en sales de carbonato fundido. Las pruebas de corrosión se realizan a 600°C durante un período de 500 horas. El primer enfoque implica la adición de nanopartículas de alúmina y sílice a las sales fundidas. El segundo enfoque consiste en un tratamiento superficial utilizando irradiación láser en un patrón de parallellogram. La caracterización de las muestras se realizó mediante técnicas analíticas como la microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados mostraron corrosión oxidativa en la superficie del acero y la presencia de una capa de óxido. Se observó que los tratamientos aplicados tuvieron efectos positivos en la composición y concentración de elementos en estas capas de oxidación.

En els darrers anys, les energies renovables han anat adquirint una major rellevància en la nostra societat. Diferents tecnologies de generació d'energia a partir de fonts renovables, com ara les cèl·lules solars i les piles de combustible tipus SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), han estat objecte de recerca per a maximitzar l'eficiència de conversió PCE (Power Conversion Efficiency) Optimitzar les seves propietats mecàniques i electroquímiques, a més de minimitzar els seus costos de fabricació. D'aquesta manera, en el present treball s'han analitzat les propietats mecàniques del seleniur d'antimoni (𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3) i l'iodur de seleni antimoniós (𝑆�𝑏�𝑆�𝑒�𝐼�), materials utilitzats en la fabricació de cèl·lules solars, així com una mostra comercial d'òxid de níquel-circona estabilitzada amb itria (𝑁�𝑖�𝑂�- 𝑌�𝑆�𝑍�) i quatre formulacions amb diferents percentatges en pes (50-66 wt%) dels seus components. La caracterització mecànica es va realitzar mitjançant la micro i nanoindentació, mentre que la caracterització morfològica i cristal·logràfica es va dur a terme mitjançant microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i difracció de raigs X (XRD). Es va trobar que la mostra de 𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3 té propietats mecàniques més altes que les del silici cristal·lí i silici amorf, els seus anàlegs de primera i segona generació. En les mostres de 𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍� es va observar com l'increment de contingut en pes d'òxid de níquel provoca una reducció de les propietats mecàniques, excepte en el cas de la mostra amb un 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�. D'altra banda, les propietats mecàniques de la mostra comercial fan deduir que està composta per entre un 60 i un 66 wt% de NiO.

En años recientes, las energías renovables han ido adquiriendo una mayor relevancia en nuestra sociedad. Diferentes tecnologías de generación de energía a partir de fuentes renovables, como lo son las celdas solares y las pilas de combustible tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), han sido objeto de estudio en búsqueda de maximizar la eficiencia de conversión PCE (Power Conversion Efficiency), optimizar sus propiedades mecánicas y electroquímicas, además de minimizar sus costos de fabricación. De esta forma, en el presente trabajo se analizaron las propiedades mecánicas del seleniuro de antimonio (𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3) y el yoduro de selenio antimonioso (𝑆�𝑏�𝑆�𝑒�𝐼�), materiales usados en la fabricación de celdas solares, así como una muestra comercial de óxido de níquel-circona estabilizada con itria (𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍�) y cuatro formulaciones con distinto porcentaje en peso (50-66 wt%) de sus constituyentes. La caracterización mecánica se realizó por medio de la micro y nanoindentación, mientras que la caracterización morfológica y cristalográfica se llevaron a cabo vía microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (XRD). Se encontró que la muestra de 𝑆�𝑏�2𝑆�𝑒�3 cuenta con propiedades mecánicas más altas que las del silicio cristalino y silicio amorfo, sus análogos de primera y segunda generación. En las muestras de 𝑁�𝑖�𝑂�-𝑌�𝑆�𝑍� se observó como el aumento de contenido en peso de óxido de níquel provoca que las propiedades mecánicas se vean reducidas, a excepción de la muestra con 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�. Por su parte, las propiedades mecánicas de la muestra comercial hacen deducir que está compuesta por entre 60 y 66 wt% de 𝑁�𝑖�𝑂�.

La irrupción de las tecnologías de impresión 3D ha permitido el desarrollo de distintos tipos de materiales mucho más similares estructuralmente a los que se encuentran en los organismos vivos. Otra de las ventajas de las impresoras 3D es la posibilidad de modificar y reproducir distintos prototipos sin coste extra alguno, además de permitir estructuras complejas con una gran variedad de materiales. En este trabajo se describirán y estudiarán matrices cúbicas de circona creadas usando impresión 3D y PICN (polymer-infiltrated ceramic network). La geometría de los cubos se obtuvo por deposición capa por capa perpendicular de policristal de circona tetragonal estabilizada con Itrio (TZ-3YSB-E). Se prepararon 2 series de muestras con relleno al 50 % y al 40% respectivamente con una pasta al 73% de parte cerámica y 27% de hidrogel. Posteriormente se sinterizaron los cubos en un horno eléctrico y se pulieron sus caras superior e inferior. Después se usó polímero epoxy comercial para rellenar el volumen vacío de los andamios cerámicos. Finalmente se caracterizaron las muestras usando nanoindentación y espectroscopia Raman, lo que permitió determinar la dureza (H), el módulo de Young (E) y el espectro Raman. Este trabajo ha permitido estudiar en mayor profundidad las características superficiales …. Indicando que tanto la composición como el tratamiento térmico de sinterización tienen la mayor influencia en los resultados. Se esperaba que la dureza y el módulo de Young fueran mayores en la zona cerámica y fueran disminuyendo a medida que se aproxima al límite con la zona polimérica. Los ensayos confirman dicha suposición; mostrando además que la interfase tiene una mayor dispersión de valores de dureza, siendo la zona polimérica mucho menos dura pero más estable en la dispersión de valores.

La irrupció de les tecnologies d'impressió 3D ha permès el desenvolupament de diferents tipus de materials molt més similars estructuralment als que es troben als organismes vius. Un altre dels avantatges de les impressores 3D és la possibilitat de modificar i reproduir diferents prototips sense cap cost extra, a més de permetre estructures complexes amb una gran varietat de materials. En aquest treball es descriuran i estudiaran matrius cúbiques de zircona creades usant impressió 3D i PICN (polymer-infiltrated ceramic network). La geometria dels cubs es va obtenir per deposició capa per capa perpendicular de policristal de zircona tetragonal estabilitzada amb Itrio (TZ-3YSB-E). Es van preparar 2 sèries de mostres amb farciment al 50% i al 40% respectivament amb una pasta al 73% de part ceràmica i 27% d'hidrogel. Posteriorment es van sinteritzar els cubs en un forn elèctric i es van polir les cares superior i inferior. Desprès es va usar polímer epoxy comercial per omplir el volum buit de les bastides ceràmiques. Finalment es van caracteritzar les mostres usant nanoindentació i espectroscòpia Raman, la qual cosa va permetre determinar la duresa (H), el mòdul de Young (E) i l'espectre Raman. Aquest treball ha permès estudiar amb més profunditatles característiques superficials …. Indicant que tant la composició com el tractament tèrmic de sinterització tenen la major influència en els resultats. S'esperava que la duresa i el mòdul de Young fossin més grans a la zona ceràmica i anessin disminuint a mesura que s'aproxima al límit amb la zona polimèrica. Els assajos confirmen aquesta suposició; mostrant a més que la interfície té més dispersió de valors de duresa, sent la zona polimèrica molt menys dura però més estable en la dispersió de valors.

En aquest projecte s'estudien les capes d'òxid generades sobre la superfície de diferents mostres d'acer inoxidable dúplex DS2205, tractades i no tractades amb una texturització làser, mitjançant l'acció corrosiva de la sal fosa de carbonat LiNaK a 600 °C. D'aquesta manera, es simula el comportament dels materials en l'emmagatzematge d'energia per a centrals d'energia solar concentrada (CSP). L'objectiu és estudiar el comportament del tractament làser en la resistència a la corrosió d'aquests acers. Es preparen diferents mostres que es col·loquen amb la sal en diferents gresols d'alúmina, dins d'un forn durant 150, 300, 500 i 700 hores per a les mostres no tractades, i 150 i 500 hores per a les tractades mitjançant làser. La caracterització d'aquestes mostres es realitza mitjançant tècniques com la microscòpia òptica, microscòpia confocal, difracció de raigs X (XRD), espectroscòpia Raman, microscopi electrònic de rastreig (SEM) i espectroscòpia d'energia dispersiva de raigs X (EDX). Els resultats mostren una generació de doble capa d'òxid més densa, adherent i protectora per a les mostres tractades mitjançant làser.

En este proyecto se estudian las capas de óxido generadas sobre la superficie de distintas muestras de acero inoxidable dúplex DS2205, tratadas y no tratadas con una texturización láser, mediante la acción corrosiva de la sal fundida de carbonato LiNaK a 600 ºC. De este modo, se simula el comportamiento de los materiales en el almacenamiento de energía para centrales de energía solar concentrada (CSP). El objetivo es estudiar el comportamiento del tratamiento láser en la resistencia a la corrosión de estos aceros. Se preparan distintas muestras que se colocan junto a la sal en distintos crisoles de alúmina, dentro de un horno durante 150, 300, 500 y 700 horas para las muestras no tratadas, y 150 y 500 horas para las tratadas mediante láser. La caracterización de estas muestras se realiza mediante técnicas como la microscopía óptica, microscopía confocal, difracción de rayos X (XRD), espectroscopia Raman, microscopio electrónico de barrido (SEM) y espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDX). Los resultados muestran una generación de doble capa de óxido más densa, adherente y protectora para las muestras tratadas mediante láser.

Els usos de la ceria dopada amb gadolínia (GDC) per a piles de combustible d'òxid sòlid són molt variats des de material per a electròlit i/o de capa de barrera fins a la seva combinació amb la perovskita de cobaltferrita com a material de càtode. Recentment, el mecanitzat làser ha aconseguit augmentar l'àrea de contacte de les interfícies elèctrode/electròlit, millorant així el rendiment global de les SOFCs. En aquest treball, es van aplicar tractaments làser sobre la ceria dopada amb gadolínia (GDC) per estudiar els canvis superficials a la seva microestructura i les seves propietats mecàniques. Els experiments preliminars de calibratge làser es van realitzar amb circona dopada amb ítria. Després, el tractament amb làser es va dur a terme a GDC. Per a l'estudi de la topografia del mecanitzat làser, es va utilitzar microscòpia òptica i perfilometria de contacte. La caracterització de les fases de les mostres es va realitzar mitjançant difracció de raigs X (XRD) i espectroscòpia Raman. Es van dur a terme observacions amb microscòpia electrònica d'escombrada (SEM) per analitzar les morfologies superficials de la superficie tractada amb làser i de la superficie no tractada amb làser. A més, la determinació de les propietats mecàniques de les superfícies tractades amb làser es va realitzar mitjançant la tècnica de nanoindentació. Els resultats d'espectroscòpia Raman i XRD no van demostrar un canvi significatiu de fase a les superfícies tractades amb làser en comparació de les superfícies no tractades amb làser. Les observacions amb SEM de la vall i el pile-up (superfície perifèrica de la pista que contenia esquitxades resolidificades de material fos) i superfícies no tractades van presentar diferents morfologies i perfils topogràfics, a causa del material eliminat a la superfície de la vall i l'acumulació de material resolidificat a la superfície de pile-up. Finalment, els tests de Nanoindentació van mostrar una disminució tant del Mòdul elàstic com de la Duresa.

Los usos de la ceria dopada con gadolinia (GDC) para pilas de combustible de óxido sólido son muy variados desde material para electrolito y/o de capa de barrera hasta su combinación con la perovskita de cobaltoferrita como material de cátodo. Recientemente, el mecanizado láser ha logrado aumentar el área de contacto de las interfaces electrodo/electrolito, mejorando así el rendimiento global de las SOFCs. En este trabajo, se aplicaron tratamientos láser sobre la ceria dopada con gadolinia (GDC) para estudiar los cambios superficiales en su microestructura y sus propiedades mecánicas. Los experimentos preliminares de calibración láser se realizaron con circona dopada con itria. Después, el tratamiento con láser se llevó a cabo en GDC. Para el estudio de la topografía del mecanizado con láser, se utilizó microscopía óptica y perfilometría de contacto. La caracterización de las fases de las muestras se realizó mediante difracción de rayos X (XRD) y espectroscopia Raman. Se llevaron a cabo observaciones con microscopía electrónica de barrido (SEM) para analizar las morfologías superficiales del área tratada con láser y del área no tratada con láser. Además, la determinación de las propiedades mecánicas de las superficies tratadas con láser se realizó mediante la técnica de nanoindentación. Los resultados de espectroscopia Raman y XRD no demostraron un cambio significativo de fase en las superficies tratadas con láser en comparación con las superficies no tratadas con láser. Las observaciones SEM del valle y pile-up (superficie periférica de la pista que contenía salpicaduras resolidificadas de material fundido) y superficies no tratadas presentaron diferentes morfologías y perfiles topográficos, debido al material eliminado en la superficie del valle y la acumulación de material resolidificado en la superficie de pile-up. Finalmente, los tests de Nanoindentación mostraron una disminución tanto del Módulo elástico como de la Dureza a bajas profundidades de indentación.

L'ànode de Ni-YSZ és un dels tres components principals de les cel·les de combustible d'òxid sòlid (SOFC). Recentment, el mecanitzat làser ha aconseguit ampliar l'àrea de contacte de les interfícies elèctrode/electròlit, millorant el rendiment global de les SOFC. No obstant això, el làser pot fer malbé la microestructura del material durant el tractament. Per aquest motiu, l'objectiu d'aquest projecte és estudiar els efectes del tractament làser sobre compostos de NiO-YSZ per a SOFCs. Es van optimitzar els paràmetres de treball d'un làser Nd:YAG per obtenir pistes làser amb una profunditat de 1 µm. Per tal d'analitzar els efectes del tractament amb làser sobre la composició i la microestructura del material, es van utilitzar tècniques complementàries com la difracció de raigs X (DRX), l'espectroscòpia Raman i la microscòpia electrònica d'escombrada (SEM). A més, es van determinar les propietats mecàniques de les superfícies tractades amb làser mitjançant la tècnica de nanoindentació. Els resultats dels tests d'espectroscòpia Raman i DRX van mostrar que el tractament amb làser no va canviar significativament la composició del material. En canvi, la microestructura, analitzada mitjançant SEM, va ser significativament influenciada pel tractament amb làser, pel fet que la porositat va disminuir significativament. Els tests de nanoindentació van evidenciar que, a baixes profunditats d'indentació, tant la duresa com el mòdul de Young de les superfícies tractades amb làser són inferiors en comparació a les superfícies no tractades. Aquesta disminució de les propietats mecàniques es deu a defectes com a microfissures que han debilitat la superfície del material. Finalment, la regió d'acumulació de material (pile-up) entre les pistes del làser s'ha vist afectada tèrmicament, i ha donat com a resultat una microestructura amb grans més grans i menor porositat.

El ánodo de Ni-YSZ es uno de los tres componentes principales de las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Recientemente, el mecanizado láser ha logrado ampliar el área de contacto de las interfaces electrodo/electrolito, mejorando el rendimiento global de las SOFCs. Sin embargo, el láser puede dañar la microestructura del material durante el tratamiento. Por ello, el objetivo de este proyecto es estudiar los efectos del tratamiento láser sobre compuestos de NiO-YSZ para SOFCs. Se optimizaron los parámetros de trabajo de un láser Nd:YAG para obtener pistas láser con una profundidad de 1 µm. Con el fin de analizar los efectos del tratamiento con láser sobre la composición y la microestructura del material, se utilizaron técnicas complementarias como la difracción de rayos X (DRX), la espectroscopia Raman y la microscopía electrónica de barrido (SEM). Además, se determinaron las propiedades mecánicas de las superficies tratadas con láser mediante la técnica de nanoindentación. Los resultados de los tests de espectroscopia Raman y DRX mostraron que el tratamiento con láser no cambió significativamente la composición del material. En cambio, la microestructura, analizada mediante SEM, fue notablemente influenciada por el tratamiento con láser, debido a que la porosidad disminuyó significativamente. Los tests de nanoindentación evidenciaron que, a bajas profundidades de indentación, tanto la dureza como el módulo de Young de las superficies tratadas con láser son inferiores a las superficies no tratadas. Esta disminución de las propiedades mecánicas se debe a defectos como microfisuras que han debilitado la superficie del material. Finalmente, la región de acumulación de material (pile-up) entre las pistas del láser se ha visto afectada térmicamente, dando como resultado una microestructura con granos más grandes y menor porosidad.

El desenvolupament de la tècnica de fabricació additiva (AM) ha suposat una millora en la qualitat i la complexitat de les impressions en 3D. Un dels seus principals beneficis és el poc temps i consum energètic que requereix aquesta tècnica. A més a més de la gran varietat de materials imprimibles que hi ha al mercat i la seva accessibilitat. D'aquesta manera, la fabricació additiva ha suposat un punt d'inflexió pels materials ceràmics, que destaquen per les seves propietats físiques i mecàniques, ja que permet la seva producció amb costos molt inferiors comparats amb les tecnologies convencionals. Un dels materials més utilitzats com a catalitzador és la a-Al2O3. Els dissenys que s'apliquen actualment mitjançant mètodes convencionals no permeten millorar la seva eficiència en la conversió dels productes químics. És per aquest motiu, que la impressió 3D, concretament la coneguda com a Direct Ink Writing, es perfila com una tècnica candidata per tal d'aconseguir dissenyar catalitzadors amb geometries més complexes que millorin el seu rendiment. Aquest encara pot incrementar-se més amb l'aplicació de recobriments, com és el cas de la g-Al2O3. En aquest sentit, aquest treball té com a primer objectiu aconseguir dissenyar un model que permeti obtenir mostres impreses amb les dimensions que es requereixen i determinar la temperatura de sinterització que permeti un millor comportament pel que fa a la contracció de les mostres, duresa i rugositat. El segon objectiu està relacionat amb l'aplicació d'un recobriment de a-Al2O3 a mostres impreses d'g-Al2O3. En aquest cas, el treball pretén avaluar quins són els factors que més influeixen en l'adhesió del recobriment al substrat i la temperatura de sinterització. Per fer-ho es tindran en compte: el temps d'immersió i temperatura de sinterització de les mostres recobertes.

El desarrollo de la técnica de fabricación aditiva (AM) ha supuesto una mejora en la calidad y complejidad de las impresiones en 3D. Uno de sus principales beneficios es el poco tiempo y consumo energético que requiere esta técnica. Además de la gran variedad de materiales imprimibles que existen en el mercado y su accesibilidad. De esta forma, la fabricación aditiva ha supuesto un punto de inflexión por los materiales cerámicos, que destacan por sus propiedades físicas y mecánicas, ya que permite su producción con costes muy inferiores comparados con las tecnologías convencionales. Uno de los materiales más utilizados como catalizador es la a-Al2O3. Los diseños que se aplican actualmente mediante métodos convencionales no permiten mejorar su eficiencia en la conversión de productos químicos. Por este motivo, la impresión 3D, concretamente la conocida como Direct Ink Writing, se perfila como una técnica candidata para conseguir diseñar catalizadores con geometrías más complejas que mejoren su rendimiento. Éste todavía puede incrementarse más con la aplicación de recubrimientos, como es el caso de la g-Al2O3. En este sentido, este trabajo tiene como primer objetivo conseguir diseñar un modelo que permita obtener muestras impresas con las dimensiones requeridas y determinar la temperatura de sinterización que permita un mejor comportamiento en cuanto a la contracción de las muestras, dureza y rugosidad . El segundo objetivo está relacionado con la aplicación de un recubrimiento de a-Al2O3 en muestras impresas de g-Al2O3. En este caso, el trabajo pretende evaluar cuáles son los factores que más influyen en la adhesión del recubrimiento en el sustrato y la temperatura de sinterización. Para ello se tendrán en cuenta: el tiempo de inmersión y temperatura de sinterización de las muestras recubiertas.

En aquest projecte, s'ha estudiat les capes d'òxids generades sobre les superfícies d'un acer dúplex AISI 2205 i un superdúplex AISI 2507 per l'acció corrosiva de la sal fosa de carbonats de liti, sodi i potassi a una temperatura d'operació de 500 ºC, per determinar la qualitat dels mateixos per implementar-los en sistemes d'emmagatzematge de les de les centrals tèrmiques d'energia solar concentrada. S'han preparat un seguit de mostres, que han estat immerses en la sal fosa en un forn a la temperatura d'operació, durant diferents períodes fins a un màxim de 1600 hores. Paral·lelament, s'ha realitzat el mateix estudi amb acer al carboni AISI 1050 per tenir-ho com a referència, i així establir el potencial dels acers dúplex. La caracterització de les capes formades s'ha realitzat usant diferents tècniques complementaries tals com el tests de corrents de Foucault, perfilometria de contacte, test d'Scratch, espectroscòpia Raman i difracció de raigs X. Els resultats obtinguts mostren que les capes d'òxid són irregulars i heterogènies a temps curts (entre 24h i 300 h), però a temps llargs (1600 hores) les capes d'òxid presenten un comportament químic i mecànic molt estable i uniforme. L'acer superdúplex té millors propietats d'adhesió i d'integritat mecànica envers l'acer dúplex. Els dos acers dúplex són bons candidats per ser usats en els components d'emmagatzematge de les centrals d'energia solar concentrada.

En este proyecto, se han estudiado las capas de óxidos generadas sobre las superficies de un acero dúplex AISI 2205 y un superdúplex AISI 2507 por la acción corrosiva de la sal fundida de carbonatos de litio, sodio y potasio a una temperatura de operación de 500 ºC, para determinar la calidad de los mismos para implementarlos en sistemas de almacenamiento de las centrales térmicas de energía solar concentrada. Se ha preparado un conjunto de muestras, que han sido sumergidas en la sal fundida en un horno a la temperatura de operación, durante diferentes períodos hasta un máximo de 1600 horas. Paralelamente, se ha realizado el mismo estudio con acero al carbono AISI 1050 para tenerlo como referencia, y así establecer el potencial de los aceros dúplex. La caracterización de las capas formadas se ha realizado utilizando diferentes técnicas complementarias como los test de corrientes de Foucault, perfilometría de contacto, test de Scratch, espectroscopía Raman y difracción de rayos X. Los resultados obtenidos muestran que las capas de óxido son irregulares y heterogéneas a tiempos cortos (entre 24h y 300 h), pero a tiempos largos (1600 horas) las capas de óxido presentan un comportamiento químico y mecánico muy estable y uniforme. El acero superdúplex tiene mejores propiedades de adhesión y de integración mecánica frente al acero dúplex. Los dos aceros dúplex son buenos candidatos para ser utilizados en los componentes de almacenamiento de las centrales de energía solar concentrada.

Los reactores de membrana cerámica conductora de iones ofrecen la oportunidad de combinar procesos de separación de membrana directamente con las reacciones químicas, lo que conduce a la intensificación del proceso y, por tanto, a beneficios en cuanto a eficiencia. Las actividades de investigación actuales se centran en los reactores de membrana por su alta eficiencia intrínseca y su gran potencial para la producción de una gran variedad de productos químicos básicos, portadores de energía y combustibles sintéticos. En el presente TFG, se han fabricado reactores catalíticos de membrana, los cuales están formados por un soporte poroso y por una membrana densa, usando la circona tetragonal parcialmente estabilizada con un 8 % molar de itria (8Y-TZP) como conductor iónico de los aniones óxido. El objetivo del presente trabajo, es conseguir un proceso de fabricación de las membranas, soportadas sobre sustratos porosos de 8Y-TZP, mediante el uso de unas técnicas de fabricación reproducibles, escalables y de bajo coste. Para ello, en primer lugar, se ha optimizado el proceso de fabricación del soporte de 8Y-TZP y almidón de arroz como generador de porosidad conformado por prensado uniaxial, incluyendo el tratamiento térmico para su sinterizado. Posteriormente, se ha estudiado la optimización del procesado de la membrana mediante recubrimiento por rotación de los soportes previamente fabricados. Para conseguir una membrana densa, se ha optimizado la disolución precursora con polvos de 8YTZP y Terpineol como disolvente, además de otros aditivos, la velocidad de giro y el tratamiento térmico que se debe aplicar. Durante el procesado de ambos componentes, se ha determinado la densidad de los soportes, por el método de Arquímedes, y se ha caracterizado la microestructura de los soportes y de las membranas fabricadas, mediante microscopia óptica y electrónica de barrido, para estudiar los efectos de las variables de fabricación y de los tratamientos térmicos. Además, se ha realizado un estudio de la dureza Vickers de los soportes y de las membranas optimizadas, mediante la técnica de nanoindentación, para determinar sus respectivos valores de dureza. Se ha concluido que la mezcla de polvos óptima para fabricar los soportes es de un 60% de 8Y-TZP con 40% de porógeno (en masa), y la temperatura óptima para el tratamiento térmico de presinterización de los soportes es de 1100ºC. Para la fabricación de la membrana, se ha determinado como mejor alternativa la disolución de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa: masa), la cual se ha depositado mediante recubrimiento por rotación a 400 rpm y, posteriormente, se ha co-sinterizado junto al soporte a 1350ºC. Los soportes así fabricados han presentado una dureza Vickers muy baja y una porosidad elevada, sin embargo, tienen suficiente integridad mecánica para su manipulación durante el procesado de la membrana. La membrana presenta un espesor de unas 10-20 m y una elevada densificación manteniendo el soporte poroso, lo cual se muestra en unos valores de dureza de 13,8 ± 0,3 GPa.

Els reactors de membrana ceràmica conductora d'ions ofereixen l'oportunitat de combinar processos de separació de membrana directament amb les reaccions químiques, el que condueix a la intensificació del procés i, per tant, a beneficis en quant a eficiència. Les activitats d'investigació actuals es centren en els reactors de membrana degut a la seva alta eficiència intrínseca i el seu gran potencial per a la producció d'una gran varietat de productes químics bàsics, portadors d'energia i combustibles sintètics. En el present TFG, s'han fabricat reactors catalítics de membrana, els quals estan formats per un suport porós i per una membrana densa, utilitzant la circona tetragonal parcialment estabilitzada amb un 8 % molar d'ítria (8YTZP) com a conductor iònic dels anions òxid. L'objectiu del present treball, és aconseguir un procés de fabricació de les membranes, suportades sobre substrats porosos de 8Y-TZP, mitjançant l'ús d'unes tècniques de fabricació fàcils de reproduir, escalables i de baix cost. Per fer-ho, en primer lloc, s'ha optimitzat el procés de fabricació del suport de 8Y-TZP i midó d'arròs com a generador de porositat conformat per premsat uniaxial, incloent el tractament tèrmic per al seu sinteritzat. Posteriorment, s'ha estudiat l'optimització del procés de la membrana mitjançant el recobriment per la rotació dels suports prèviament fabricats. Per aconseguir una membrana densa, s'ha optimitzat la dissolució precursora amb pols de 8YTZP i terpineol com a dissolvent, a més d'altres additius, la velocitat de gir i el tractament tèrmic que s'ha d'aplicar. Durant el procés d'ambdós components, s'ha determinat la densitat dels suports, pel mètode d'Arquímedes, i s'ha caracteritzat la microestructura dels suports i de les membranes fabricades, mitjançant microscòpia òptica i electrònica d'escombrat, per estudiar els efectes de les variables de fabricació i dels tractaments tèrmics. A més, s'ha realitzat un estudi de la duresa Vickers dels suports i de les membranes optimitzades, mitjançant la tècnica de nanoindentació, per determinar els seus respectius valors de duresa. S'ha conclòs que la mescla de pols òptima per fabricar els suports és d'un 60% de 8Y-TZP amb 40% de porògen (en massa), i la temperatura òptima per al tractament tèrmic de presinterització dels suports és de 1100ºC. Per a la fabricació de la membrana, s'ha determinat com a millor alternativa la dissolució de 1:4 de 8Y-TZP:Terpineol (en masa:masa), la qual s'ha dipositat mitjançant el recobriment per rotació a 400 rpm i, posteriorment, s'ha co-sinteritzat junt al suport a 1350ºC. Els suports així fabricats han presentat una duresa Vickers molt baixa i una porositat elevada, sense embargo, tenen suficient integritat mecànica per a la seva manipulació durant el procés de la membrana. La membrana presenta un espessor d'unes 10-20 μm i una elevada densificació mantenint el suport porós, el qual es mostra en uns valors de duresa de 13,8 ± 0,3 GPa.

Les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) són dispositius electroquímics que transformen directament l'energia química d'un combustible en electricitat. Aquesta tecnologia presenta molts avantatges en comparació amb altres tecnologies tradicionals de generació d'energia, perquè combina una alta eficiència energètica i calor, baixes emissions i flexibilitat de combustible. Tanmateix, les SOFCs encara necessiten millorar el rendiment electroquímic de les seves cèl·les. En particular, els paràmetres més determinants pel rendiment de la cèl·la són l'energia d'activació i el gruix de l'electròlit de zirconia estabilitzada amb itria (YSZ), que s'utilitza habitualment. Una estratègia eficaç per millorar el rendiment de la cèl·la és augmentar l'àrea de contacte entre l'electròlit i els elèctrodes (ànode i càtode), ja que augmenta la superficie de la triple fase (TPB), on es produeixen les reaccions electroquímiques, afavorint la transferència de càrrega. Un bon enfocament és processar una elevada àrea específica a la superfície de l'electròlit mitjançant el model d'interferència làser directa. És una tecnologia prometedora per a la fabricació de patrons de superfície mitjançant fenòmens físics d'interferència. Proporciona molts avantatges com la capacitat de mecanitzar la superfície amb geometries complexes sense contacte amb les superfícies. L'objectiu d'aquest treball és estudiar l'efecte del micro-patró làser sobre la microestructura i les propietats mecàniques dels electròlits de zirconia estabilitzada amb ítria molars al 3% i 8% per a SOFCs. Amb aquesta finalitat, aquest projecte es divideix en 2 blocs. En el primer bloc, el processament i el mecanitzat làser d'electròlits s'ha dut a terme utilitzant mostres de 3YSZ i 8YSZ amb 400 m de gruix com a electròlits per a SOFCs. Les mostres s'han fabricat mitjançant la tècnica CIP, per ser tractades mitjançant mecanitzat làser per obtener un patrons de 10-20 μm d'amplada i uns 5-10 μm d'altura de vall. Els paràmetres de mecanitzat làser, com ara la velocitat i la freqüència làser, s'han optimitzat per obtenir una elevada àrea específica a la superfície de l'electròlit per a les SOFCs. En el segon bloc, s'han estudiat les possibles modificacions del mecanitzat làser sobre la microestructura i les propietats mecàniques d'ambdós materials mitjançant tècniques d'espectroscòpia Raman, Microscòpia electrònica d'escaneig (SEM) i tècniques de nanoindentació. El SEM i l'espectroscòpia Raman s'ha utilitzat per determinar la formació de rugositat i microesquerdes i les transformacions de fase a la superfície tractada amb làser, respectivament. Finalment, les proves de nanoindentació no han revelat cap canvi significatiu en la duresa prop de la zona de processament làser.

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son dispositivos electroquímicos que transforman directamente la energía química de un combustible en electricidad. Esta tecnología presenta muchas ventajas frente a otras tecnologías tradicionales de generación de energía, ya que combina alta eficiencia energética y térmica, bajas emisiones y flexibilidad de combustibles. Sin embargo, las SOFCs aún necesitan mejorar el rendimiento electroquímico de sus celdas. En particular, los parámetros más determinantes para el rendimiento de la celda son la energía de activación y el espesor del electrolito de circona estabilizada con itria (YSZ), que normalmente es la más usada. Una estrategia eficaz para mejorar el rendimiento de la celda es aumentar el área de contacto entre el electrolito y los electrodos (ánodo y cátodo), ya que aumenta la superficie de triple fase (TPB), donde se llevan a cabo las reacciones electroquímicas, promoviendo la transferencia de carga. Un buen enfoque es procesar una elevada área específica en la superficie del electrolito utilizando el patrón de interferencia láser directa. Se trata de una tecnología prometedora para la fabricación de patrones de superficie utilizando fenómenos físicos de interferencia. Proporciona muchas ventajas, como la capacidad de modelar la superficie con geometrías complejas sin contacto con las superficies. El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto del micropatrón láser sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de los electrolitos de circona estabilizada con itria al 3% y 8% molar para SOFC. Para ello, este proyecto se divide en 2 bloques. En el primer bloque, se ha realizado el procesado y modelado láser de electrolitos utilizando muestras 3YSZ y 8YSZ de 400 m de espesor como electrolitos para SOFCs. Las muestras han sido fabricadas usando la técnica CIP, para ser tratadas usando el mecanizado láser para obtener unos patrones alrededor de 10-20 μm de anchura y alrededor de 5-10 μm de altura de valle. Los parámetros de mecanizado por láser, como la velocidad y la frecuencia del láser, se han optimizado para obtener una elevada área específica en la superficie del electrolito para las SOFCs. En el segundo bloque, se han estudiado las posibles modificaciones del mecanizado láser sobre la microestructura y propiedades mecánicas de ambos materiales mediante técnicas de espectroscopia Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) y nanoindentación. Se han utilizado SEM y espectroscopia Raman para determinar la formación de asperezas y microfisuras, y transformaciones de fase en la superficie tratada con láser, respectivamente. Finalmente, los ensayos de nanoindentación no han revelado cambios significativos en la dureza cerca de la zona procesada con láser.

3D printing is a constantly improving manufacturing technique. Due to its improvement, more and more possibilities are offered to us. Starting with impression of polymers, the multitude of possibilities is now vast, and the quality of printing is always enhancing. 3D printing of ceramics is a booming sector, due to its versatility in the manufacture of complex geometries in one step, which can reduce both the manufacturing time and costs. It is particularly interesting for the processing of new monolithic catalysts, more efficient than the current ones to produce hydrogen. In this context, Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) is an interesting ceramic material for 3D printing of functional devices, as it is commonly used in a lot of technological sectors, due to its high working temperature range, mechanical strength, biocompatibility, and corrosion resistance. Therefore, it is used in multiple sectors such as biomedical, energy, aerospace and electronics. In this master's project, the objective is to develop new 3D-printed Co/YSZ catalysts with complex geometry to enhance the catalytic performance for the hydrogen production from ethanol steam reforming. Catalysts are fabricated using YSZ with the addition of cobalt as an active phase. Two main parts are developed in the present project. In the first, we focus on the manufacturing of samples with the robocasting method. This method consists of the extrusion of a paste deposited on a plane support to create the desired product. The second part of the project is the determination of the catalytic properties of the printed monoliths. Concerning the manufacturing, the devices were printed with YSZ powder, and the composition of pastes was optimized to increase their printability and the stability of the samples during the manufacturing process. The Cobalt was introduced as a cobalt salt. Among transition metal catalysts, cobalt presents high activity for steam reforming of ethanol and is cheaper than other catalysts usually used such as palladium, ruthenium, platinum. Suitable monolithic catalysts were achieved after optimizing the water content in the formulation of pastes, and the printing parameters such as printing speed, extrusion velocity, or layer height. After that, the evaluation of the catalytic performance forthe ethanol steam reforming as a function of the Co/YSZ ratio and calcination temperature was carried out. Finally, the catalyst characterization was performed using different techniques such as Raman spectrometry, X-ray diffraction and Archimedes density.

La impresión 3D es una técnica de fabricación en constante mejora. Debido a su mejora, cada vez se nos ofrece más posibilidades. Comenzando con la impresión de plásticos, la multitud de posibilidades ahora es enorme y la calidad de la impresión siempre mejora. La impresión 3D de cerámica es un sector en auge, debido a su versatilidad en la fabricación de geometrías complejas en un solo paso, lo que puede reducir tanto el tiempo como los costes de fabricación. Es especialmente interesante para el procesamiento de nuevos catalizadores monolíticos, más eficientes que los actuales para producir hidrógeno. En este contexto, la circona estabilizada con itria (YSZ) es un material cerámico interesante para la impresión 3D de dispositivos funcionales, ya que se usa comúnmente en muchos sectores tecnológicos, debido a su alto rango de temperatura de trabajo, resistencia mecánica y a la corrosión, y buena biocompatibilidad. Así pues, se utiliza en múltiples sectores como el biomédico, energético, aeroespacial y electrónico. En este proyecto de máster, el objetivo es desarrollar nuevos catalizadores Co/YSZ impresos en 3D con geometría compleja para mejorar el rendimiento catalítico para la producción de hidrógeno a partir del reformado de etanol con vapor de agua. Los catalizadores se han fabricado utilizando YSZ con la adición de cobalto como fase activa. El presente Proyecto se ha desarrollado en dos partes principales. La primera se centramos en la fabricación de muestras con el método de robocasting. Este método consiste en la extrusión de una pasta depositada sobre un soporte plano para fabricar el producto deseado. La segunda parte del proyecto está focalizado en la determinación de las propiedades catalíticas de los monolitos impresos. En cuanto a la fabricación, los dispositivos se imprimieron con polvo YSZ y se optimizó la composición de las pastas para aumentar su imprimibilidad y la estabilidad de las muestras durante el proceso de fabricación. El cobalto se añadió como una sal de cobalto. Entre los catalizadores de metales de transición, el cobalto presenta una alta actividad para el reformado de etanol con vapor de agua y es más económico que otros catalizadores habitualmente utilizados como el paladio, rutenio, platino. Se ha logrado fabricar monolitos adecuados, después de optimizar el contenido de agua en la formulación de pastas y los parámetros de impresión como la velocidad de impresión, la velocidad de extrusión o la altura de la capa. Posteriormente, se ha realizado la evaluación del rendimiento catalítico para el reformado de etanol con vapor de agua en función de la relación Co/YSZ y la temperatura de calcinación. Finalmente, se ha realizado la caracterización del catalizador utilizando diferentes técnicas como espectrometría Raman, difracción de rayos X y densidad mediante el método de Arquímedes.