Síntese e caracterização de cerâmicas à base de céria duplamente dopada

Abstract

Resumo: Materiais condutores de íons oxigênio à base de céria dopada têm atraído a atenção de muitos pesquisadores por oferecer elevada condutividade iônica a temperaturas relativamente baixas (_600 oC). Esta característica torna estes materiais eletrólitos promissores para aplicações em células a combustível de óxido sólido (solid oxide fuel cell - SOFC), operando em temperaturas intermediárias (600 - 800 oC). A condutividade iônica da céria dopada tem sido intensamente investigada quanto aos diferentes tipos de dopantes e as suas distintas concentrações. Vários estudos indicam que composições de céria dopada com samário ou com gadolínio são as que exibem as maiores condutividades na faixa de temperatura de interesse para aplicações em SOFCs. No entanto, alguns resultados publicados na literatura sugerem que a dupla dopagem pode ser mais eficaz que a monodopagem no aumento a condutividade iônica da céria. Em vista deste panorama, este trabalho teve como objetivo geral o estudo da influência da dupla dopagem (com La3+ e Sm3+) na microestrutura e nas propriedades elétricas dos eletrólitos sólidos à base de céria. Para a realização deste estudo, amostras de céria dopada foram sintetizadas, pelo método da combustão com glicina, em cinco composições diferentes (Ce0;8Sm0;2??xLaxO1;9 com x=0,00; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20). A caracterização dos pós e das amostras sinterizadas foram realizadas por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e por análises da área superficial específica (Brunauer-Emmett-Teller - BET). As propriedade elétricas das amostras foram avaliadas por espectroscopia de impedância. Os principais resultados mostraram que a técnica de combustão com glicina é um método efetivo para a obtenção de pós nanonarticulados, pouco aglomerados e com elevada homogeneidade. Também foi observado que a substituição gradativa do samário por lantânio dificulta a densificação das amostras sinterizadas, resultando em pastilhas com maior grau de porosidade. Além disso, observou-se que nas composições contendo os dois dopantes, o aumento do teor de La3+ induz a redução do tamanho médio dos grãos. A caracterização elétrica dos compactos mostrou que as composições contendo La3+ e Sm3+ apresentam menor resistividade intragranular que aquelas contendo apenas Sm3+ . No entanto, o efeito da adição de La3+ na resistividade intergranular foi prejudicial, aumentando a resistividade do contorno de grão.

Abstract: Ceria-based materials have attracted attention of many researchers due its great ionic conductivity at relatively low temperatures (_600 oC). This characteristic make the ceria-based materials a promissing candidate for applicantion as electrolyte in intermediate temperature (600 - 800 oC) solid oxid fuel cell (IT-SOFC). The ionic conductivity of doped ceria has been extensively investigated with respect to different dopants and dopant concentration. Many studies show that the composition of ceria doped with samarium or gadolinium exhibited the highest condutivity in the range of temperature for applications in IT-SOFCs. However, some results published suggests that ceria solid solutions with more than one dopant can be more efficient, in terms of the ionic conductivity, than ceria solid solution containing a single dopant. This work aimed to study the influence of co-doped (with La3+ and Sm3+) in the microstructure and in the electrical properties of ceria-based solid electrolytes. For this study, five compositions of doped ceria (Ce0;8Sm0;2??xLaxO1;9 with x=0,00; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20) were synthesized by the combustion method using glycice as a fuel. The characterization of the powders and on the sintered samples were made by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and by (Brunauer-Emmett-Teller - BET) analysis. The electrical properties of the samples were investigated by impedance spsctroscopy. The mainly results showed that the combustion method with glycine is an effective method to obtain the nanoparticles of doped ceria, weakly agglomerated and with high homogeneity. It was also observed that the progressive substitution of samarium for lantanum difficults the densification of the samples, which results in pellets with higher porosity. Furthermore, it was observed that, among the compositions with both dopants, increasing La3+ induces a reduction in the grain size of the sintered ceramics. The electrical characterization of the compacts showed that the compositions doped with La3+ e Sm3+ exhibits lower bulk resistivity than the compositions doped only with Sm3+. Otherwise, the effect of the addiction of La3+ in the intergranular resistivety was prejudicial, increasing the grain boundary resistivity.