Síntese, caracterização e propriedades elétricas de eletrólito sólido a base de cerato de bário dopado com gadolínio

Abstract

Resumo: Eletrólitos sólidos à base de cerato de bário dopado com gadolínio foram produzidos utilizando o método dos precursores poliméricos. As amostras foram sinterizadas e caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, difração de raios-X e densidade aparente pelo método de Arquimedes. A estabilidade química em atmosfera de CO2 foi estudada por análise de difração de raios-X antes e após fluxo do gás a 600 °C por 3 horas. Os resultados comproram que o cerato de bário dopado com gadolínia não é estável nessas condições. Para resolver o problema da estabilidade química foi adicionado zircônio ao composto, entretanto, a sinterização e a densificação do material foram comprometidas. Para resolver estes problemas, níquel foi adicionado ao composto. Análises de MEV e densidade aparente comprovaram a eficácia do níquel como agente sinterizante. A condutividade das diferentes amostras foi determinada por meio de medidas de espectroscopia de impedância eletroquímica efetuada em atmosfera de ar em uma faixa de temperatura entre 400 °C e 700 °C. Observou-se o aumento na condutividade com o aumento da temperatura. Os resultados indicaram que a dopagem com zircônio diminuiu a condutividade protônica da cerâmica na faixa de temperatura estudada. A partir dos valores de condutividade, foi feito um gráfico tipo Arrhenius para determinação da energia de ativação. De acordo com os resultados, o cerato de bário dopado com gadolínio apresenta potencial para aplicação como eletrólito sólido em células a combustível de óxido sólido abastecidas com hidrogênio. Já para células a combustível abastecidas por hidrocarbonetos ou alcoóis, os resultados não são satisfatórios, necessitando a dopagem com outros elementos, como o zircônio, para melhorar as propriedades do eletrólito.

Abstract: Solid electrolytes based on doped barium cerate were produced using the polymeric precursor method. The samples were sintered and characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction and density by the Archimedes method. The chemical stability in CO2 atmosphere was studied by analysis of Xray diffraction before and after the gas flow at 600 ° C for 3 hours. The results show that the barium cerate doped with gadolinium is not stable under these conditions. To solve the problem of chemical stability zirconium was added to the compound, however, the sintering and densification of the material has been compromised. To solve these problems, nickel was added to the compound. The SEM analysis and density proved the effectiveness of nickel as sintering agent. The conductivity of different samples was determined by electrochemical impedance spectroscopy measurements, performed in air at a temperature range of 400 ° C to 700 ° C. Increase in conductivity with increasing temperature was observed. The results indicated zirconia doped compounds showed lower proton conductivity in the temperature range studied. From the values of conductivity, an Arrhenius graphic was made to determination of activation energy. According to the results, gadolinium doped barium cerate shows potential for application as solid electrolyte in solid oxide fuel cells using hydrogen as fuel. For fuel cells using hydrocarbons or alcohols as fuel, the results are not satisfactory, necessitating doping with other elements, such as zirconium, to improve electrolyte properties.