Materiales cerámicos tipo perovskita para celdas de combustible de óxido sólido

La creciente demanda del sector público y privado por nuevos materiales de bajo costo que mejoren las propiedades físicas y químicas, que permitan operar a bajas temperaturas, y que además, reduzcan significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), ha sido un verdadero reto en la ciencia básica de materiales avanzados. Las celdas SOFC han demostrado rendimientos entre el 65% y el 85% cuando son combinadas con sistemas térmicos como las turbinas de gas. Los tres elementos de una SOFC (ánodo cátodo y electrolito) son sumamente importantes, ya que pueden mejorar o afectar el funcionamiento del dispositivo electroquímico. Es importante tener en cuenta que en el cátodo se genera una reacción de reducción de oxígeno, la cual depende directamente de la presión parcial del oxígeno, esta se da en la conocida triple frontera de fase. Por lo lado, el ánodo se encarga de oxidar el combustible cediendo electrones, mientras que el electrolito forma un puente iónico entre ambos electrodos (cátodo y ánodo), evitando corto circuito. Los materiales empleados en este tipo de celdas, están fabricados de materiales cerámicos porosos (cátodo y ánodo) y óxidos densificados (electrolito), los cuales trabajan a altas temperaturas que van desde 650 °C hasta 1000 °C. Esto, da como resultado, una conductividad iónica que permite alcanzar una alta densidad de corriente a alta temperatura. Dada la importancia de estos elementos, en esta tesis se presentan los resultados de novedosos materiales con potencial aplicación en celdas SOFC. Particularmente, la estructura cúbica tipo fluorita de Bi1.74Dy0.14W0.12-xScxO3 como electrolito, las estructuras tetragonal y cúbica tipo perovskita de Bi0.85Pr0.15-xEux Fe0.97Mn0.03O3 y Pr0.65Ba0.35MnO3, respectivamente como cátodos, así como el compósito de estructura cúbica tipo halita-fluorita NiO-GDC + Bi2O3 como ánodo. El cátodo y ánodo han sido preparados mediante rutas de química blanda, mientras que para el electrolito se ha utilizado un molino de alta energía y reacción de estado sólido. Cada material se sintetizó a diferentes temperaturas y se caracterizó mediante difracción de rayos x (DRX), análisis por el método Rietveld con el fin de interpretar su estructura y microscopia electrónica de barridos (SEM) para temas morfológicos

PEL´ICULAS DELGADAS DE ´ OXIDOS SEMICONDUCTORES (ZnO, NiO, CuO) Y NANOPART´ICULAS DE Pt PARA SU APLICACI ´ON EN SENSORES DE CO2 DE BAJA TEMPERATURA (≤ 200 ◦C)

En el presente trabajo se llev´o a cabo el desarrollo (s´ıntesis) por medio de la t´ecnica de dep´osito qu´ımico de vapor asistido en aerosol (AACVD, por sus siglas en ingl´es) de pel´ıculas delgadas mono y multi-capas de ´oxidos puros en base a ZnO, CuO y NiO; decoradas con nanopart´ıculas de metales nobles (tales como Pt), sobre substratos de vidrio de boro-silicato (BSG) y s´ılice fundida. A partir de la s´ıntesis antes mencionada, fue posible proponer un sistema ´oxido-metal (SO-M) que permiti´o ser empleado como sensor de gas resistivo de baja temperatura (<200◦C), el cual fue opcionalmente activado mediante radiaci´on UVA. Para el sensado de gas se depositaron electrodos que permitieron monitorear la resistencia el´ectrica del SO-M. Por SO-M entendemos una estructura multicapa formada por uno o m´as ´oxidos tipo “p” (CuO, NiO) o “n” (ZnO) superpuestos, decorados con nanopart´ıculas del metal noble Pt. Por ejemplo, se plante´o llevar a cabo el estudio de pel´ıculas delgadas multicapa de ZnO-NiO-Pt desarrolladas anteriormente, con la finalidad de explicar te´oricamente el comportamiento de estas ante la presencia de CO2. Una vez obtenidas las pel´ıculas delgadas, estas fueron caracterizadas microestructuralmente mediante diversas t´ecnicas, donde destacan microscopia electr´onica de barrido, microscop´ıa de fuerza at´omica y difracci´on de rayos X, para determinar la composici´on, morfolog´ıa, espesor, fases presentes, tama˜no de cristalita, rugosidad, etc. As´ı mismo, por medio de t´ecnicas tales como espectroscop´ıa UV-Vis-NIR, fue posible analizar las propiedades ´opticas que los materiales poseen. Finalmente, con ayuda de una c´amara Linkam se determino la capacidad de las muestras para el sensado de un gas de prueba (considerando CO2 como gas principal). Las caracterizaciones particulares de cada muestra permitieron analizar de manera detallada las propiedades que tienen los materiales sintetizados, adem´as de ayudar a determinar su(s) futura(s) aplicaci ´on(es) en el campo del sensado de gases. Dentro de las ventajas que presenta el desarrollo de sensores de gas de baja temperatura, se encuentran un ahorro en el consumo energ´etico durante el tiempo de vida del dispositivo, adem´as del bajo riesgo a presentar accidentes por explosi´on al contacto con el gas sensado y mejoras en la estabilidad y duraci´on del dispositivo

“Multifunctional PLA composites reinforced with exfoliated, expanded, and turbostratic graphite for a sustainable future.”

Polymers have been manipulated throughout history, and materials have been the cornerstone of human progress, elevating our production capabilities and living standards. From the earliest tools to the most complex structures, our ability to manipulate materials such as metals, ceramics, and polymers has demonstrated our understanding and ability to reshape nature. In the current era of rapid scientific and technological advancement, the role of materials in driving development and innovation is nothing short of pivotal. These materials can be classified as either structural, focusing on mechanical properties like strength and deformation, or functional, emphasizing their behavior in light, sound, electricity, heat, and magnetic fields. Composite materials, which are formed by combination of different materials, have the goal to increase the number of applications and to change the nowadays materials with high-performance composite materials. The field of materials research is not just evolving; it's innovating. It's moving away from traditional empirical methods and towards a more purposeful approach to materials design. A prime example of this paradigm shift is the emergence of composite materials, a blend of materials that preserve their original properties and acquire new ones. This exciting transition is driven by the desire to expand the scope of applications and to revolutionize today's materials, replacing them with high-performance composites with enhanced properties [1]

Estudio de la microestructura y propiedades mecánicas en el sistema CoCrFeMnNiAlx pre-sinterizado por inducción de alta frecuencia

El presente estudio trata sobre el estudio del efecto de la sinterización por el método convencional y de inducción de alta frecuencia sobre la microestructura y propiedades mecánicas en el sistema CoCrFeMnNiAlx (x = 0.5, 0.75, 1.0, y 1.5 at. %). Específicamente se evalúan los parámetros tiempo y presión en ambos métodos de sinterizado y como afectan estos la densificación, microestructura, comportamiento de precipitación y propiedades mecánicas de las aleaciones

Exploración de la sensibilidad colateral del fitopatógeno Erwinia amylovora expuesto a nanopartículas de óxido de zinc

El estado de Chihuahua es el principal productor de manzana a nivel nacional. Sin embargo, la producción se ha visto afectada por diversos factores, entre ellos las plagas y enfermedades como lo es la mancha de fuego, causada por la bacteria Erwinia amylovora, en consecuencia, genera pérdidas económicas significativas. Para su control y tratamiento se han empleado distintos antibióticos, sin embargo, debido al mal uso y abuso, se han reportado cepas resistentes a estos métodos de control. Por otro lado, la nanotecnología ofrece nanomateriales con propiedades antimicrobianas, como las nanopartículas de óxido de Zinc (ZnO-NP); no obstante, se han reportado cepas resistentes a las nanopartículas. Para hacer frente a esta problemática, el objetivo de esta investigación fue determinar la existencia de la sensibilidad colateral en E. amylovora expuesta a nanopartículas de óxido de zinc. Para ello, se determinó la concentración inhibitoria de crecimiento del 90% (IC90) y se llevó a cabo una presión selectiva, es decir, se expuso continuamente a la cepa control E. amylovora WT a 0.2 mg/mL de ZnO-NP. Tras la exposición se obtuvieron las generaciones de E. amylovora 13G y 20G con mayor resistencia a las ZnO-NP, con respecto a E. amylovora WT. Para determinar la sensibilidad colateral de E. amylovora 13G y 20G, se probaron 216 agentes antimicrobianos distribuidos en las placas de Microarreglo de fenotipo Biolog PM de la 11 a la 19. También se determinaron los cambios en el metabolismo del carbono mediante el uso de placas de Biolog Ecoplate. La presión selectiva a ZnO-NP en E. amylovora estimuló cambios fenotípicos. Entre estas adaptaciones se presentó un aumento en el tamaño celular, mayor diversidad en el uso fuentes de carbono especialmente por aminoácidos, así como un incremento y reducción en la susceptibilidad a diferentes agentes antimicrobianos

MODELO MATEMÁTICO DE MITIGACIÓN DE TEMPERATURA DE AIRE POR IMPLEMENTACIÓN DE VEGETACIÓN ARBÓREA EN LA CIUDAD DE CHIHUAHUA, CHIH. MÉXICO.

La isla de calor urbana (ICU) es un fenómeno que afecta la sostenibilidad de las ciudades y el Gobierno del Estado de Chihuahua ha reconocido que es una de las problemáticas que deben enfrentarse para mejorar la calidad de vida de todos los chihuahuenses. Principalmente se ha detectado que en la temporada cálida este fenómeno afecta el confort térmico humano, lo que puede influir en la morbilidad, el gasto energético, la productividad y la calidad de vida en general. Se desarrolló un modelo matemático simple basado en experimentación para aprovechar y dar sustento teórico al uso de la vegetación arbórea como herramienta para la mitigación de la ICU en la ciudad de Chihuahua, Chih. México, enfocado en las características físicas principales de la vegetación y su relación con la mitigación de la temperatura del aire. Las características físicas de altura, altura de tronco, diámetro e índice de área foliar de la vegetación de la ciudad de Chihuahua fueron determinadas a través de la revisión de literatura y por medio del monitoreo en sitio realizado en varios parques representativos de la ciudad. Se generaron 81 escenarios de experimentación a través del programa informático de simulación micro climática en ENVI-met, en los cuales se realizaron variaciones de las características físicas de la vegetación para poder identificar su relación con el efecto de mitigación de temperatura de aire. Los resultados sugieren que las características físicas del arbolado de “altura total” y “altura del tronco” tiene una relación débil con la mitigación de temperatura (r<0.2), el “índice de área foliar” muestra una relación moderada (0.4<r<0.6) y el “diámetro de dosel” muestra una relación alta (0.6<r<0.8). Como resultado final, se desarrolló un modelo matemático para que planificadores y profesionales de las ciencias urbanas, puedan aplicarlo para determinar, a partir de sus características física, el potencial de mitigación de temperatura de aire de la vegetación en la ciudad de Chihuahua, de tal manera que el diseño de áreas verdes y espacios públicos contribuyan a mejorar la calidad del ambiente térmico de manera más eficiente

Preparación de un grafito exfoliado mediante un procesamiento verde en fase sólida, basado en una ruta mecano-química

El presente trabajo se realiza con la idea de encontrar un material novedoso que pueda ser usado en la aplicación de remoción de aceites livianos en agua. La experimentación se realizó en diferentes etapas; en un inicio se lleva a cabo un proceso de exfoliación del grafito natural, siguiendo una ruta verde mediante molienda mecánica utilizando un molino SPEX 8000MN en una atmosfera inerte (gas argón). Para realizar la exfoliación del grafito natural se usó carbonato de calcio (CaCO3). El grafito exfoliado CaCO3, nos ayudó a la remosión de un tinte (azul de metileno) en agua, pero no funcionó para remosión de aceite liviano. Por lo que se continua con la experimentación, en una segunda etapa se busca un material expandido, aplicando una ruta eco amigable con una modificando el método Hummers [1]; como medio de expansión se usó un microondas (expansión rápida). El grafito expandido (IGex) se usa para la remosión del aceite en agua contaminada. Se hicieron pruebas de volumen de expansión (VE) y de capacidad de adsorción (AO), los valores alcanzados son de 594.8 ml g-1 y de 97.1 g g-1 respectivamente. El IGex se comparó con un grafito expandible comercial, obtenido en Sigma Aldrich (CEGex), con valores de 541.2 mL g-1 de volumen expandido y de 76.4 g g-1 de capacidad de adsorción en un tiempo de 30s de expansión rápida

Mapas de densidad electrónica y cálculos de esféricos armónicos microestructurales en cerámicos de BaTiO3 obtenidos por spark plasma sintering

Se realizaron moliendas de alta energía sobre polvos comerciales de BaTiO3 con una inicial coexistencia de fases ferroeléctricas (tetragonal, ortorrómbica y romboédrica). En los polvos sometidos al proceso de molienda, por medio de la microscopía electrónica de barrido y transmisión, se estudiaron los cambios en la composición química de los polvos por espectroscopía de rayos X de energía dispersiva, así como el estudio de la morfología de las partículas. A partir del patrón de difracción de rayos X, se realizó el refinamiento Rietveld para el estudio de los cambios estructurales y microestructurales producidos por la molienda como lo son: la densidad electrónica por el método de máxima entropía, la proporción de fases, cambios en los parámetros de red, variaciones en las coordenadas fraccionales de los átomos, el tamaño y forma promedio de cristalita y microtensiones por el método de esféricos armónicos manejado en la función Thompson-Cox-Hastings-pseudo-Voigt. En los polvos se observó que no hubo un cambio sustancial en la composición química y que el tamaño de partícula se redujo. De igual manera, la fase tetragonal comenzó a predominar por encima de la fase ortorrómbica hasta alcanzar una proporción de fases de 9:1, los parámetros de red de ambas fases se incrementaron gradualmente, así como las microtensiones lo que indico que el tamaño de cristal se redujo y tendió a tomar una forma esférica. El incremento en los parámetros de red (variación de las coordenadas fraccionales atómicas) dio como resultado una disminución gradual de la densidad electrónica para todos los átomos. Los cambios antes mencionados sucedieron en función al tiempo de molienda. Partiendo del polvo con 4 horas de molienda se sinterizaron pastillas por la técnica de sinterización asistida por plasma con una rampa de calentamiento de 100°C/min hasta una temperatura máxima de 1100°C con un esfuerzo axial aplicado durante todo el proceso de sinterización de 50 MPa y un vacío ≈ 2x100 Pa. La variable que se manipuló fueron los tiempos que se mantuvo la sinterización a temperatura máxima, los cuales, consistieron en 1, 3, 5 y 7 minutos. Una vez transcurrido el tiempo a temperatura máxima, se retiró de inmediato el esfuerzo axial y se apagó el suministro de energía. Las pastillas fueron sometidas a dos tratamientos térmicos: el primero de 1000°C durante 16 horas para la extracción del grafito difundido en el proceso de sinterización y el segundo de 1200°C durante 4 horas para inducir el c

Material nanocompuesto basado en derivados de grafeno/acetato de celulosa y su evaluación como electrodo en supercapacitores

Hoy en día, con el aumento de la población y la mejora de la tecnología hacia dispositivos cada vez más portátiles, ha crecido el interés en desarrollar nuevos y mejores dispositivos de almacenamiento de energía, tales como baterías y supercapacitores, que permitan la alimentación energética de dispositivos durante periodos prolongados de tiempo. Entre los dispositivos de almacenamiento de carga, los supercapacitores se diferencian de las baterías ya que muestran un rendimiento de alta potencia con tiempos cortos de carga y descarga de energía, además de mayor vida útil. Sin embargo, la cantidad de energía almacenada es menor que el de las baterías. Por este motivo, y en la búsqueda del uso eficiente de componentes en la electrónica de consumo multifuncional, se están desarrollando proyectos innovadores que buscan que los supercapacitores sean cada vez más delgados, más ligeros, flexibles y con mayor capacitancia. En este trabajo se propone que los materiales de la familia del grafeno como el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO), apoyados en la formación de materiales nanocompuestos de matriz polimérica, pueden presentar una extensa gama de propiedades, con amplio potencial para su aplicación como supercapacitores con un mejor desempeño. La investigación tuvo como resultado la obtención de GO, rGO y óxido de grafeno reducido funcionalizado con octadecilamina (rGO-ODA) por el método de Hummers modificado, seguido de la reducción química. Para el caso de los rGO se obtuvieron materiales de pocas capas ( ≤5 capas ), con grupos funcionales que facilitaron la dispersión en una matriz polimérica de acetato de celulosa. De esta forma se consiguieron soluciones de materiales nanocompuestos que permitieron la elaboración de membranas electrohiladas, las cuales fueron utilizadas como electrodos para llevar a cabo la caracterización electroquímica por voltamperometría cíclica. Los resultados obtenidos muestran capacitancias dentro de lo considerado para supercapacitores en el rango de Faradios, siendo la mayor capacitancia de 5.982 F/g obtenida con el arreglo de tres electrodos para el material nanocompuesto de 0.1% GO/CA. Por otro lado, para el arreglo de dos electrodos el mayor valor de capacitancia fue de 1.143 F/g para el material de 0.2% GO/CA. En general la adición de los materiales derivados de grafeno presentó un aumento en el valor de sus capacitancias con respecto los electrodos de acetato de celulosa

Recubrimientos de alta entropía para aplicaciones tribológicas, mecánicas y anticorrosivas

Los nitruros de aleaciones de alta entropía (HEANs) o de elementos múltiples principales (MPENs) son una alternativa emergente que está ganando atención en el campo de los recubrimientos protectores debido a la promesa de un rendimiento tribo-mecánico excepcional. Sin embargo, la respuesta operativa de los recubrimientos MPENs depende de la selección de los elementos constituyentes adecuados y de la determinación de las proporciones de composición adecuadas, que determinarán la microestructura y morfología final de los recubrimientos. Para este proyecto de doctorado se siguió una metodología que consistió en desarrollar nitruros más simples (por la cantidad de elementos) como Ti-Al-N, que sentaron las bases para el desarrollo de sistemas más complejos como Ti-Al-Mo-N y Ti-Al-Zr-Mo-N. Se estudió el comportamiento de la microestructura y la morfología en función de la variación del contenido de Mo para los sistemas más complejos. La evolución de fases evidenció cambios significativos, desde una estructura predominante B1 (Tipo NaCl) para los contenidos más bajos de Mo a una fase predominante β (tetragonal) para los contenidos más altos de Mo, lo que condujo a cambios morfológicos notables, principalmente en el tipo de crecimiento de los recubrimientos. Además, se encontró que el recubrimiento con mejor desempeño tribo-mecánico resultó cuando hay un predominio de una estructura cristalina B1. Sin embargo, se encontraron tendencias contrarias en el comportamiento anticorrosivo. Por ejemplo, el sistema Ti-Al-Zr-Mo-N mostró características que divergen de las tendencias en aleaciones menos complejas. Cuando la fase predominante es tetragonal, una reducción en la resistencia a la corrosión fue observada, contrario a lo que ocurre en Ti-Al-Mo-N, en donde se observa un mejor carácter protector contra la corrosión con una tendencia creciente a medida que aumenta el contenido de Mo y siendo la fase tetragonal predominante. Estos resultados demostraron la necesidad de estrategias de optimización para determinar el equilibrio entre los efectos opuestos de la amplia variedad de fenómenos que ocurren durante el depósito de recubrimientos MPENs, principalmente aquellos impulsados por la naturaleza de los constituyentes metálicos y su proporción atómica. El presente trabajo podría contribuir al diseño, síntesis y optimización de recubrimientos MPENs basados en propiedades predeterminadas de interés para aplicaciones específicas de la industria de recubrimientos protectore