3D Printing ceramic materials for energy and environmental applications

Abstract

New activities that arose during the Industrial Revolution caused the development of novel production sector, changes in the organisation of production, new forms of capital business, development of a global market and the use of new energy sources. However, it also led to the use of fossil fuels that in the long-term brought severe environmental issues due to diverse activities carried out during the revolution. Nowadays, it is known that these activities are the cause of the current environmental crisis involving a fast climate change and global warming. Most of the environmental problems, i.e. degradation of the ozone layer, acid rain, air and water pollution or waste reduction, cannot be managed by a single nation. Consequently, a lot of countries have implemented many agreements last decades with the purpose of the Zero Emission concept, trying to promote synergistic processes with very low impact on the environment and reducing the volume of waste and harmful emission without affecting the industrial benefits. Over the last years, a lot of research groups have been focused on the development of new materials and new manufacturing techniques in order to achieve this environmental goal. This thesis is focused on the introduction of new manufacturing methods using well-known materials saving energy, time and money while reducing waste. More precisely, this work complements the current state-of-the-art of rapid prototyping of ceramics, covering the key aspect of microstructural control to improve the performance of different devices, such as Solid Oxide Fuel Cells and catalytic reactors for wastewater cleaning and for solar fuels generation.

Las nuevas actividades que surgieron durante la Revolución Industrial provocaron el desarrollo de un sector novedoso de producción, cambios en la organización de la producción, nuevas formas de negocio, desarrollo de un mercado global y el uso de nuevas fuentes de energía. Sin embargo, también propició el uso de combustibles fósiles que, a largo plazo, trajeron graves problemas ambientales debido a las diversas actividades realizadas durante la revolución. Hoy en día se sabe que estas actividades son la causa de la actual crisis ambiental que involucra un rápido cambio climático y calentamiento global. La mayoría de los problemas ambientales, como, por ejemplo, la degradación de la capa de ozono, la lluvia ácida, la contaminación del aire y el agua o la reducción de desechos, no pueden ser gestionados por una sola nación. En consecuencia, muchos países han implementado muchos acuerdos en las últimas décadas con el propósito del concepto Emisión Cero, tratando de promover procesos sinérgicos con muy bajo impacto en el medio ambiente y reduciendo el volumen de residuos y emisiones nocivas sin afectar los beneficios industriales. Durante los últimos años, muchos grupos de investigación se han centrado en el desarrollo de nuevos materiales y nuevas técnicas de fabricación para lograr este objetivo medioambiental. Esta tesis se centra en la introducción de nuevos métodos de fabricación, utilizando materiales conocidos, que ahorran energía, tiempo y dinero y reducen los residuos. Concretamente, este trabajo complementa el estado actual de la técnica de prototipado rápido de cerámicas, abarcando el control microestructural como punto clave para mejorar el rendimiento de diferentes dispositivos, como las pilas de combustible de óxido sólido y los reactores catalíticos para la limpieza de aguas residuales y para generación de combustibles solares