Límite de triple fase

Un límite de triple fase ( TPB , por sus siglas en inglés) es una clase geométrica de límite de fase y el punto de contacto entre tres fases diferentes . Un ejemplo sencillo de TPB es una costa donde la tierra, el aire y el mar se encuentran, creando un entorno energético impulsado por la energía solar, eólica y undimotriz, capaz de sustentar una gran biodiversidad. Este concepto es particularmente importante en la descripción de electrodos en pilas de combustible y baterías . Por ejemplo, en las pilas de combustible, las tres fases son un conductor iónico ( electrolito ), un conductor electrónico y una fase virtual de "porosidad" para el transporte de moléculas de combustible gaseosas o líquidas . Las reacciones electroquímicas que utilizan las pilas de combustible para producir electricidad tienen lugar en presencia de estas tres fases. Por lo tanto, los límites de triple fase son los sitios electroquímicamente activos dentro de los electrodos.

La reacción de reducción de oxígeno que ocurre en el cátodo de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) se puede escribir de la siguiente manera:

O₂ (gas) + 4e⁻(electrodo) → 2O ²⁻(electrólito)

Diferentes mecanismos llevan estos reactivos a un TPB para llevar a cabo esta reacción. ^{[ 1 ]} La cinética de esta reacción es uno de los factores limitantes en el rendimiento de la celda, por lo que aumentar la densidad de TPB aumentará la velocidad de reacción y, por lo tanto, aumentará el rendimiento de la celda. ^{[ 2 ]} De forma análoga, la densidad de TPB también influirá en la cinética de la reacción de oxidación que ocurre entre los iones de oxígeno y el combustible en el lado del ánodo de la celda. El transporte hacia y desde cada TPB también afectará la cinética, por lo que la optimización de las vías para llevar reactivos y productos al área activa también es una consideración importante. Los investigadores que trabajan con celdas de combustible están utilizando cada vez más técnicas de imágenes 3D como FIB-SEM y nanotomografía de rayos X para medir la densidad de TPB como una forma de caracterizar la actividad de la celda. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Recientemente, se ha demostrado que técnicas de procesamiento como la infiltración aumentan sustancialmente la densidad de TPB, lo que conduce a una mayor eficiencia y, potencialmente, a SOFC más viables comercialmente. ^{[ 5 ]}

En sistemas que constan de solo tres fases, los límites de triple fase son características lineales de bucle cerrado geométrico que no se intersecan con otros TPB y, por lo tanto, no forman una red. La forma más simple de un TPB se visualiza fácilmente utilizando dos esferas de tamaño arbitrario que se intersecan y que son de diferente fase, suspendidas en el espacio libre (véase la figura 3 ^{[ 6 ]} ), lo que crea un TPB circular en la intersección de las esferas. Sin embargo, en los electrodos, los bucles de TPB suelen tener formas muy complejas y estocásticas en tres dimensiones (3D). Por lo tanto, los TPB tienen unidades de longitud. Para los electrodos, normalizar la longitud del TPB a la densidad del TPB proporciona un parámetro microestructural importante para la descripción del rendimiento del electrodo y, por ende, de la celda, que es independiente de las dimensiones del electrodo. La densidad del TPB es normalmente una densidad volumétrica y se mide en unidades de longitud inversa al cuadrado, típicamente μm⁻² ⁽ es decir , μm /μm³ ⁾ debido a la escala de las características microestructurales típicas de los electrodos.

Los límites de triple fase (TPB) solo son electroquímicamente activos si cada "fase" está conectada a las fuentes y destinos de las especies reactivas para completar la reacción electroquímica. Los TPB activos a menudo se denominan TPB percolados . Por ejemplo, en un cermet de ánodo de SOFC Ni-YSZ, el TPB debe:

• Tener acceso al hidrógeno desde la entrada de gas del ánodo y poder evacuar el vapor a la salida de gas del ánodo a través de la red de fase porosa.
• Tener acceso a los iones de oxígeno transportados desde la red de la fase electrolítica YSZ del electrolito.
• Ser capaz de conducir electrones desde el TPB a través de la red conductora de electrones de níquel hasta el colector de corriente del ánodo.

Además de aumentar la densidad de TPB, es obviamente ventajoso aumentar la relación entre la densidad activa y la densidad total de TPB para aumentar el rendimiento del electrodo/celda.

• Glosario de términos de pilas de combustible