Optimización del coeficiente de expansión térmica y propiedades electroquímicas de (PrBa)0.98FeO3-δ mediante dopaje con cationes de alta valencia

Abstract

Lograr un equilibrio entre estabilidad estructural, compatibilidad de expansión térmica y desempeño electroquímico es un desafío clave en el desarrollo de materiales para celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)1,2. En este trabajo, investigamos el efecto de dopantes de alta valencia sobre las propiedades estructurales, térmicas y electroquímicas de los electrodos de aire (PrBa)0.98Fe0.9M0.1O3-δ (M = Ga3+ , Ti4+, Zr4+, Nb5+, Mo6+, W6+ y Re7+) para SOFC. El análisis termogravimétrico muestra que un mayor estado de oxidación del dopante disminuye la pérdida de oxígeno durante el calentamiento, lo que sugiere una mayor estabilidad de la subred de oxígeno. La dilatometría indica además una reducción en los coeficientes de expansión térmica, desde 22.3×10-6 K-1 para las muestras dopadas con Ga³⁺ hasta 15.1×10-6 K-1 para las dopadas con W6+. La espectroscopía de impedancia revela una correlación clara entre la resistencia a la polarización del electrodo y el estado de oxidación del dopante, con un ligero aumento desde 0.14 Ω·cm2 en la muestra dopada con Ga3+ hasta 0.21 Ω·cm2 en la dopada con W6+ a 700 ºC. Estos resultados destacan que, aunque los dopantes de alta valencia estabilizan la subred de oxígeno y reducen la expansión térmica, no necesariamente mejoran la actividad de reducción de oxígeno. En general, este estudio sistemático aporta información clave para optimizar las estrategias de dopaje y mejorar el rendimiento de los materiales de electrodos de aire en SOFC.