Estudo da sinterização de eletrólito sólido de céria dopada com gadolínia

Abstract

As células a combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem energia química em energia elétrica por uma reação direta. As células a combustíveis de óxido sólidos (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) operam em temperaturas entre 900 e 1000ºC, com eletrólitos de cerâmica. Atualmente o material mais utilizado é a zircônia estabilizada com ítria, no entanto a alta temperatura de operação pode causar problemas de instabilidade e incompatibilidade de materiais, degradação térmica e alto custo dos materiais periféricos. Com a intenção de minimizar esses problemas, são realizadas pesquisas para desenvolver células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (IT-SOFC) que operam na faixa de temperatura de 600 a 800ºC, utilizando céria dopada com gadolínia como um dos mais promissores materiais para eletrólitos de IT-SOFC devido à alta condutividade iônica e uma boa compatibilidade com os eletrodos. Formas de inibir o crescimento do grão durante a sinterização para melhorar as propriedades dos eletrólitos são investigadas. Para tal, é utilizada a técnica de sinterização em dois passo (two-step sintering - TSS), que consiste em submeter a amostra a dois estágios de temperatura. O primeiro estágio visa atingir a densidade crítica para dar início ao processo de sinterização. Em seguida a amostra é submetida a um segundo estágio de temperatura capaz de dar continuidade à sinterização sem que haja acelerado crescimento de grão, até sua total densificação. O principal objetivo deste trabalho foi produzir eletrólitos de céria dopada com gadolínia pelo processo de sinterização em dois passos. Neste contexto foram produzidas amostras a partir de pós micrométricos e nanométricos através de duas rotas de sinterização em dois passos. Foram obtidas amostras com elevada densidade relativa, superior a 90%. Os tamanhos médios de grãos obtidos estão na faixa de 0,37 µm a 0,51 µm. Foram obtidas amostras com condutividade iônica total de 1,8x10-2 S.cm e energia de ativação de 0,76 eV. A partir dos resultados obtidos neste trabalho, foi possível obter amostras de céria dopada com gadolínia através da técnica de sinterização em dois passos, utilizando rotas modificadas com características e propriedades necessárias para serem aplicadas como eletrólitos de células a combustível de óxido sólido.

Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in electrical energy by a reaction directly. The solid oxide fuel cell (SOFC) works in temperature between 900ºC up to 1000ºC, Nowadays the most material for ceramic electrolytes is yttria stabilized zirconium. However, the high operation temperature can produce problems as instability and incompatibility of materials, thermal degradation and high cost of the surround materials. These problems can be reduced with the development of intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) that works at temperature range of 600ºC to 800ºC. Ceria doped gadolinium is one of the most promising materials for electrolytes IT-SOFC due high ionic conductivity and good compatibility with electrodes. The inhibition of grain growth has been investigated during the sintering to improve properties of electrolytes. Two-step sintering (TSS) is an interesting technical to inhibit this grain growth and consist at submit the sample at two stages of temperature. The first one stage aims to achieve the critical density in the initiating the sintering process, then the sample is submitted at the second stage where the temperature sufficient to continue the sintering without accelerate grain growth until to reach total densification. The goal of this work is to produce electrolytes of ceria doped gadolinium by two-step sintering. In this context were produced samples from micrometric and nanometric powders by two routes of two-step sintering. The samples were obtained with elevate relative density, higher than 90% using low energy that some works at the same area. The average grain size are at the range 0,37 µm up to 0,51 µm. The overall ionic conductivity is 1,8x10-2 S.cm and the activation energy is 0,76 eV. Results shown that is possible to obtain ceria-doped gadolinium samples by two-step sintering technique using modified routes with chara