Diseño y caracterización de perovskitas para la producción eficiente de combustibles solares mediante ciclos termoquímicos redox

Resumo

Los ciclos termoquímicos son una alternativa para la producción de combustibles sintéticos de gran interés científico, económico y medioambiental. Empleando la energía solar, materias primas renovables y abundantes, así como materiales intercambiadores de oxígeno, eficientes y duraderos, esta estrategia puede llegar a tener un gran impacto en los campos de la energía y el transporte. Para lograr esta meta, se han propuesto las perovskitas como intercambiadores de oxígeno. Estos óxidos se caracterizan por poseer buenas propiedades redox, a temperaturas que están en el rango de las alcanzadas por los sistemas de concentración solar actuales, así como una elevada estabilidad térmica. Además, sus características redox pueden ser moduladas gracias a la versatilidad para modificar su composición y mejorar las prestaciones del material de referencia CeO2. En la presente tesis se han propuesto cuatro familias de perovskitas, cuya actuación en otros trabajos previos demostró su viabilidad en estos ciclos redox: La1-xSrxMnO3, La0,6Sr0,4Mn1-yAlyO3, La1-xSrxCoO3 y La1-xSrxFeO3. Su preparación se llevó a cabo mediante un método de Pechini modificado y su caracterización se basó en diferentes técnicas (ICP, isotermas de adsorción de N2, DRX, SEM, TEM y Raman) que confirmaron la correcta formación de las estructuras cristalinas. La evaluación de la capacidad redox de las distintas perovskitas y el efecto de la sustitución parcial de los cationes La3+ y Mn3+ con los elementos metálicos Sr2+ y Al3+ se realizó mediante análisis termogravimétrico. Con las perovskitas que ofrecieron mejores resultados, se realizaron también ensayos de durabilidad sometiéndolos a varios ciclos para confirmar su estabilidad. Posteriormente se desarrollaron ciclos termoquímicos en una instalación experimental basada en un reactor de lecho fijo a escala de laboratorio acoplado a un espectrómetro de masas. En ellos se estudiaron los mecanismos implicados en las reacciones gas-sólido y el comportamiento de los distintos óxidos en la disociación de CO2 para la producción de CO. Sin embargo, debido a la baja concentración de oxidante, los resultados resultaron inferiores a lo esperado. Por otra parte, se evaluó el efecto de la alimentación de un agente reductor, como es el metano (CH4) en las etapas de reducción, para moderar las condiciones de operación en los ciclos y aumentar la producción a gas de síntesis. Los resultados mostraron una elevada productividad al mismo tiempo que se mantuvo la estabilidad en ensayos de cinco ciclos consecutivos. En concreto, la perovskita La0,9Sr0,1FeO3 fue la que ofreció las mejores prestaciones. Finalmente, se propusieron dos estrategias diferentes para la mejora del rendimiento de los ciclos termoquímicos con reformado de metano y disociación de CO2 modificando la perovskita La0,9Sr0,1FeO3: el empleo del soporte YSZ para evitar la aglomeración del componente redox y mejorar así la estabilidad del sistema a largo plazo y la adición de Ni metálico para aumentar la productividad de gas síntesis. En ambos casos se incrementó la productividad respecto a la perovskita inicial y se mantuvo la estabilidad termoquímica.