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Título: Efeito da Gália como aditivo de sinterização em eletrólitos cerâmicos à base de céria sintetizados pelo método de complexação de cátions
Autor(es): Ohl, Wilson José
Palavras-chave: Céria. Európia. Samária. Co-dopagem. Gália. Complexação de cátions. Espectroscopia de impedância. SOFC;Ceria. Europia. Samaria. Co-doping. Gallia. Cation complexation. Impedance spectroscopy. SOFC
Data do documento: 21-Out-2013
Editor: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citação: OHL, Wilson José. Efeito da Gália como aditivo de sinterização em eletrólitos cerâmicos à base de céria sintetizados pelo método de complexação de cátions. 2013. 125 f. Tese (Doutorado em Processamento de Materiais a partir do Pó; Polímeros e Compósitos; Processamento de Materiais a part) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2013.
Resumo: Fuel cells are considered one of the most promising ways of converting electrical energy due to its high yield and by using hydrogen (as fuel) which is considered one of the most important source of clean energy for the future. Rare earths doped ceria has been widely investigated as an alternative material for the electrolyte of solid oxide fuel cells (SOFCs) due to its high ionic conductivity at low operating temperatures compared with the traditional electrolytes based on stabilized zirconia. This work investigates the effect of gallium oxide (Gallia) as a sintering aid in Eu doped ceria ceramic electrolytes since this effect has already been investigated for Gd, Sm and Y doped ceria electrolytes. The desired goal with the use of a sintering aid is to reduce the sintering temperature aiming to produce dense ceramics. In this study we investigated the effects on densification, microstructure and ionic conduction caused by different molar fraction of the dopants europium (10, 15 and 20%) and gallium oxide (0.3, 0.6 and 0.9%) in samples sintered at 1300, 1350 and 1450 0 C. Samaria (10 and 20%) doped ceria samples sintered between 1350 and 1450 °C were used as reference. Samples were synthesized using the cation complexation method. The ceramics powders were characterized by XRF, XRD and SEM, while the sintered samples were investigated by its relative density, SEM and impedance spectroscopy. It was showed that gallia contents up to 0.6% act as excellent sintering aids in Eu doped ceria. Above this aid content, gallia addition does not promote significant increase in density of the ceramics. In Ga free samples the larger densification were accomplished with Eu 15% molar, effect expressed in the microstructure with higher grain growth although reduced and surrounded by many open pores. Relative densities greater than 95 % were obtained by sintering between 1300 and 1350 °C against the usual range 1500 - 1600 0 C. Samples containing 10% of Sm and 0.9% of Ga reached 96% of theoretical density by sintering at 1350 0 C for 3h, a gain compared to 97% achieved with 20% of Sm and 1% of Ga co-doped cerias sintered at 1450 0 C for 24 h as described in the literature. It is found that the addition of gallia in the Eu doped ceria has a positive effect on the grain conductivity and a negative one in the grain boundary conductivity resulting in a small decrease in the total conductivity which will not compromise its application as sintering aids in ceria based electrolytes. Typical total conductivity values at 600 and 700 °C, around 10 and 30 mS.cm -1 respectively were reached in this study. Samples with 15% of Eu and 0.9 % of Ga sintered at 1300 and 1350 °C showed relative densities greater than 96% and total conductivity (measured at 700 °C) between 20 and 33 mS.cm -1 . The simultaneous sintering of the electrolyte with the anode is one of the goals of research in materials for SOFCs. The results obtained in this study suggest that dense Eu and Ga co-doped ceria electrolytes with good ionic conductivity can be sintered simultaneously with the anode at temperatures below 1350 °C, the usual temperature for firing porous anode materials
metadata.dc.description.resumo: As células a combustível são tidas como uma das mais promissoras formas de conversão de energia elétrica devido ao seu alto rendimento e por utilizar o hidrogênio como combustível, considerado por muitos a principal fonte limpa de energia para o futuro. Céria dopada com terras raras tem sido amplamente investiga como material alternativo para eletrólito de células a combustível de óxido sólido (SOFC) devido sua alta condutividade iônica em baixas temperaturas de operação quando comparado com os tradicionais eletrólitos à base de zircônia estabilizada. Neste seguimento de pesquisa, este trabalho investiga o efeito do óxido de gálio (Gália) como aditivo de sinterização em eletrólitos cerâmicos a base de céria dopada com európio, uma vez que este efeito já foi investigado por outros em eletrólitos à base de céria dopada com Gd, Sm e Y. A meta almejada com a utilização do aditivo de sinterização é reduzir a temperatura de sinterização para a produção de cerâmicas densas. Neste trabalho investigou-se o efeito na densificação, na microestrutura e na condução iônica causado por diferentes frações molares do dopante európio (10, 15 e 20%) e do aditivo de sinterização óxido de gálio (0,3; 0,6 e 0,9%), em amostras sinterizadas a 1300, 1350 e 1450 0 C. A céria co-dopada com 10 e 20% de Sm e com os mesmos teores do aditivo de sinterização gália, sinterizadas a 1350, 1450 e 1500 0 C, também foi investigada, por sua vez, como parâmetro de referência experimental, haja visto que, nesta pesquisa, adotou-se sínteses pelo método de complexação de cátions enquanto que os trabalhos encontrados na literatura utilizaram o método convencional. Os pós cerâmicos sintetizados foram caracterizados por FRX, DRX e MEV e as amostras cerâmicas sinterizadas por sua densidade relativa, MEV e espectroscopia de impedância. Verifica-se que a Gália com teores até 0,6% atua como um excelente aditivo de sinterização na céria dopada com Eu. Acima deste teor e até 0,9% a adição da gália não promove significativos aumentos na densidade da cerâmica. Nas amostras livres do Ga, as maiores densificações foram alcançadas com 15% de Eu, efeito manifestado na micro-estrutura com os maiores crescimentos de grãos, embora ainda reduzidos e circundados por muitos poros abertos. Densidades relativas superiores a 95% da densidade teórica podem ser obtidas com sinterizações entre 1300 e 1350 0 C, contra as usuais 1500 a 1600 0 C. Com a céria co-dopada com 10% de Sm e 0,9% de Ga alcançou-se neste trabalho 96% da densidade teórica com sinterização a 1350 0 C por 3h, um ganho em relação aos 97% alcançados com a céria co-dopada com 20% de Sm e 1% de Ga sinterizada a 1450 0 C por 24h conforme encontrado na literatura. Verifica-se que a adição da Gália em eletrólitos à base de céria dopada com Eu apresenta efeito positivo na condutividade do grão e negativo na do contorno de grão resultando em uma pequena redução na condutividade total, a qual não compromete sua promissora aplicação como aditivo de sinterização. Valores típicos da condutividade total a 600 e 700 0 C, em torno de 10 e 30 mS.cm -1 respectivamente, foram alcançados neste trabalho. As amostras de eletrólitos à base de céria co-dopada com 15% de Eu e 0,9% de Ga, sinterizados a 1300 e 1350 0 C, alcançaram densidades relativas superiores a 96% e condutividade a 700 0 C entre 20 e 33 mS.cm -1 . A sinterização simultânea do eletrólito com o anodo é uma das metas da pesquisa em materiais para SOFCs. Os resultados alcançados neste trabalho sugerem que eletrólitos densos à base de céria co-dopada com Eu e Ga podem ser sinterizados simultaneamente com o anodo à temperatura de sinterização entre 1300 e 1350 0 C, a faixa de temperatura usual de sinterização do anodo poroso
URI: http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/handle/123456789/12851
Aparece nas coleções:PPGCEM - Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais

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