Análisis de la técnica espectroscopía de desorción térmica (Tds) y su aplicación para la caracterización de sistemas Metal-Hidrógeno

Este trabajo presenta los desarrollos teoricos y experimentales realizados para estudiar la desorcion de hidrogeno en sistemas metalicos por Espectroscopia de Desorcion Termica (TDS). Con esta tecnica se estimula la desorcion del gas contenido en el sistema mediante el calentamiento programado de la muestra. Para realizar el estudio se construyo un equipo original, de diseno propio, y se desarrollaron modelos de los procesos involucrados durante la desorcion. Tanto el equipo como los modelos se aplican al analisis de la desorcion de hidrogeno en un sistema real. Comenzamos analizando los modelos desarrollados para interpretar los resultados de los experimentos. Estos modelos tienen como caracteristica mas sobresaliente la consideracion simultanea de procesos de difusion en el interior y de reaccion en la superficie del material. En ellos se consideran sistemas metal-hidrogeno con una o dos fases termodinamicas. Presentamos resultados numericos, simulaciones computacionales y aproximaciones analiticas de los modelos originales. Utilizando estos resultados analizamos las caracteristicas mas importantes de los espectros, segun el proceso cinetico relevante, y determinamos los cambios que surgen en las curvas al modificarse parametros del material (energias de activacion, geometria) y parametros del experimento (velocidad de calentamiento, concentracion inicial). Luego, presentamos un equipo original, disenado y construido durante la ejecucion de este trabajo para realizar los experimentos de TDS. Se describen sus caracteristicas generales, sus componentes, el rango de operacion y la sensibilidad, y tambien se realiza un analisis del espectro de fondo. Utilizamos el sistema Pd-H como banco de pruebas para el equipo y los modelos. Las muestras seleccionadas: polvos, granulos, laminas y alambres de paladio, fueron caracterizadas previamente con el fin de analizar su composicion, sus rasgos morfologicos y sus tamanos caracteristicos. Se presentan los estudios realizados por Microscopia Electronica de Barrido (SEM), Difractometria de Rayos X (XRD) y Espectroscopia de Electrones Auger (AES). Mas adelante, analizamos en detalle los espectros de desorcion obtenidos en polvo de paladio. Del analisis de los espectros determinamos el mecanismo limitante para la desorcion y las energias de activacion caracteristicas. Cuando el sistema se encuentra en la fase #beta# (hidruro) el mecanismo limitante es la recombinacion y posterior desorcion de dos atomos de hidrogeno en la superficie del material. Cuando la superficie del material se encuentra en la fase #alpha# (solucion solida) el mecanismo limitante es uno de los procesos que ocurren en la superficie del material: pasaje de un atomo de hidrogeno del interior hacia la superficie del material o recombinacion de dos atomos de hidrogeno y posterior desorcion en la superficie. Del ajuste de los espectros se obtienen energias de activacion de 31 ± 6 kJ/mol para la desorcion en la fase #beta# y de 35 ± 3 kJ/mol para la fase #alpha#. Los espectros del polvo se comparan luego con espectros obtenidos sobre granulos, laminas y alambres de paladio. De esta comparacion surge un analisis de los procesos de desorcion como funcion del tamano caracteristico y de la geometria de las muestras. Finalmente, presentamos un estudio de la cinetica de desorcion en el sistema Pd-H bajo contaminacion superficial con azufre. Esta contaminacion produce como efectos principales un retardo en la absorcion y en la desorcion del gas sin una perdida apreciable de la capacidad de absorcion del material. El equipamiento experimental implementado y los modelos teoricos desarrollados posibilitaron el estudio de un sistema MH utilizando muestras con distinta morfologia, geometria, tamano caracteristico, masa y estado superficial. Los espectros fueron medidos para diferentes concentraciones de hidrogeno y velocidades de calentamiento. Los resultados obtenidos permiten proponer la aplicacion de la Espectroscopia de Desorcion Termica para el estudio y la caracterizacion de la desorcion de hidrogeno en sistemas MH. Esta tecnica resulta apropiada para el analisis detallado de las propiedades fisicas de estos sistemas y para la evaluacion cualitativa del comportamiento cinetico y de su posible influencia en la operacion de dispositivos tecnologicos