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Título: Síntese de óxidos alternativos para células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária
Título(s) alternativo(s): Synthesis of alternative oxides for intermediate temperature solid oxide fuel cells
Autor(es): Souza, Graziele Lopes de
Orientador: Nascimento, Rubens Maribondo do
Palavras-chave: Eletrólito;Cátodo;Silicato de lantânio;Niquelato de lantânio;Célula a combustível de óxido sólido
Data do documento: 30-Jan-2017
Referência: SOUZA, Graziele Lopes de. Síntese de óxidos alternativos para células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária. 2017. 67f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Resumo: As células a combustível de óxido sólido são os dispositivos mais eficientes até então inventados para a conversão de combustíveis químicos diretamente em energia elétrica. Estes dispositivos ainda apresentam como desvantagem o funcionamento em temperatura relativamente elevada. Catodos da série La2-xNiO4+d com estrutura K2NiF4 têm se mostrado promissores condutores mistos a temperaturas intermediárias. O interesse por estes óxidos como material funcional para catodo deve-se principalmente à sua permeabilidade a oxigênio e sua estabilidade química e térmica. Este material tem coeficiente de expansão térmica compatível com eletrólitos pertencentes a família La10-x(SiO4)6O2+-d com estrutura apatita. Estes eletrólitos têm condutividades superiores aos eletrólitos à base de zircônia, se utilizados na mesma faixa de temperatura que o catodo acima citado. Este trabalho reporta a síntese de pós de silicato de lantânio tipo apatita de composição La10Si6O27 e niquelato de lantânio (La2NiO4) para serem usados como materiais de eletrólito e catodo, respectivamente, em células a combustível de óxido sólido. O silicato de lantânio foi obtido a partir de uma rota química de co-precipitação, enquanto o catodo foi obtido pelo método do citrato. O procedimento de síntese proposto neste trabalho para a obtenção do material de eletrólito é vantajoso por reduzir o consumo de energia e o tempo de processamento, elementos chaves para reduzir o custo total de manufatura. Ao termino das sínteses os pós precursores foram caracterizados por análise termogravimétrica. Os pós de silicato de lantânio foram calcinados entre 500 e 900 °C e caracterizados por difratometria de raios X com refinamento Rietveld dos dados de difração e microscopia eletrônica de varredura (MEV). O niquelato de lantânio foi calcinado em uma única temperatura, 1200 °C, por 4h e caracterizado por MEV. A caracterização estrutural do eletrólito indicou a formação de material com fase secundária após calcinação a 900 °C. O efeito da temperatura de sinterização, variada entre 1400 a 1450 °C, nas propriedades elétricas foram investigados por espectroscopia de impedância entre 400 e 800 °C em atmosfera de ar. O eletrólito de silicato de lantânio sinterizado a 1450 °C apresentou condutividade elétrica total de 2,12x10-3 S.cm-1 a 700 °C, próximos aos da literatura para amostras sinterizadas a 1500 °C. O desempenho eletroquímico como material de catodo foi avaliado em uma configuração de célula simétrica (catodo/substrato/catodo) usando a técnica de espectroscopia de impedância. Catodos de niquelato de lantânio obtidos por serigrafia e sinterizados a 1300 °C por 4 h apresentaram uma resistência específica de área (REA) de 2,85 ohm.cm2 a 800 °C em atmosfera de oxigênio. O niquelato de lantânio foi misturado com o material do eletrólito e sinterizado na mesma temperatura usada para sinterização do filme de catodo a fim de avaliar possíveis reações químicas entre estes materiais. Os materiais mostraram bons resultados eletroquímicos se comparados com a literatura e estabilidade química até a temperatura de 1300 °C.
Abstract: Solid oxide fuel cells are the most efficient devices ever invented for the conversion of chemical fuels directly into electrical energy. These devices still have the disadvantage of operating at relatively high temperature. La2-xNiO4+d cathode, series materials with structure K2NiF4, have been considered as very promising materials due to their high mixed ionic electronic to intermediate temperature. The interest in these oxides as functional material for cathode increased because of its oxygen permeability and its stability. This material has coefficient of thermal expansion compatible with electrolytes from the La10-x(SiO4)6O2+-d family and apatite structure. These electrolytes have higher conductivities than zirconia-based electrolytes if used in the same temperature range as the above-mentioned cathode. This work reports the synthesis of apatite-type lanthanum silicate powders with nominal composition La10Si6O27 and Lanthanum nickelate (La2NiO4) for using as electrolyte and cathode materials, respectively, in solid oxide fuel cells. The lanthanum silicate was obtained from a co-precipitation chemical route, while the cathode was obtained by the citrate method. The herein proposed synthetic procedure is advantageous in reducing energy consumption and processing time, key elements to decrease the total manufacturing cost. At the end of the syntheses, the precursors powders were characterized by thermogravimetric analysis. The lanthanum silicate powders as prepared were calcined between 500 and 900 °C and characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement and scanning electron microscopy (SEM). Already the lanthanum nickelate was calcined in a single temperature 1200 °C for 4h and characterized by SEM. The structural characterization of the electrolyte indicated the formation of biphasic material after calcination at 900 °C. The effect of sintering temperature, ranging from 1400 to 1450 °C, on the electrical properties was investigated by impedance spectroscopy. Electrical measurements were recorded in the 400 – 800 °C temperature range in air. The lanthanum silicate electrolyte sintered at 1450 °C exhibited total electrical conductivity 2.12 x 10-3 S.cm-1 in 700 °C comparable with samples from literature prepared and sintered at 1500 °C. The electrochemical performance as cathode material was evaluated in a symmetrical cell configuration (cathode/substrate/cathode) using the electrochemical impedance spectroscopy. Lanthanum nickelate cathodes obtained by screen printing and sintered at 1300 ° C for 4 h had an area specific resistance (ASR) of 2.85 ohm.cm2 at 800 ° C under oxygen atmosphere. Lanthanum nickelate was mixed with the electrolyte material and sintered at the same temperature used to sinter the cathode film, in order to evaluate possible chemical reactions between them. The materials showed good electrochemical results compared to the literature and chemical stability up to 1300 ° C.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/24413
Aparece nas coleções:PPGCEM - Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

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