Esta Tese de Doutorado teve como objetivo geral estudar alguns aspectos da microestrutura de cerâmicas condutoras preparadas a partir de nanopartículas, e sua relação com a condutividade elétrica no material sinterizado. Para isto, foi escolhida a céria-samária, cuja principal aplicação potencial é como eletrólito sólido em células a combustível de óxido sólido (SOFC) de temperaturas intermediárias de operação. A principal propriedade de interesse para fins de aplicação destas cerâmicas é sua condutividade elétrica, que é também dependente da microestrutura do material sinterizado. Assim, os principais objetivos específicos deste trabalho foram: 1) preparação e caracterização física de nanopartículas de céria contendo o íon Sm3+ como aditivo (Ce1-xSmxO2-x/2 com 0 x 0,3), 2) estudo da densificação e do crescimento de grãos na céria-samária, e 3) estudo da influência do tamanho médio de grãos nos componentes iônico e eletrônico da condutividade elétrica total. Para a obtenção de nanopartículas foram utilizadas técnicas de síntese que empregam soluções dos cátions de interesse, além da técnica convencional de mistura de óxidos, para fins comparativos. Diversas técnicas foram utilizadas para a caracterização, tais como a difração de raios X e a espectroscopia Raman, para a caracterização estrutural e determinação do tamanho de cristalito; a microscopia eletrônica para observação de alguns aspectos da microestrutura, e a espectroscopia de impedância para medida da condutividade elétrica. Os resultados mostraram que o método da precipitação homogênea é efetivo para a síntese de nanopartículas com tamanho e forma homogêneos e com estreita distribuição de tamanhos. O uso de solvente misto (água/álcool) favoreceu a obtenção de pós nanométricos com alta sinterabilidade, maior rendimento e maior condutividade elétrica do que aqueles preparados pelo método convencional. A condutividade elétrica e a densificação são maximizadas na céria-samária sintetizada em etanol/água. Os compactos preparados com esses pós atingiram 95% da densidade teórica quando sinterizados a 1200 ºC por 5 h. A condutividade elétrica da céria-samária é predominantemente iônica, e o componente eletrônico se torna significativo apenas para pressão parcial de oxigênio igual ou inferior a 10-20 atm a 600 ºC. Para fins de utilização em células a combustível como eletrólito sólido, a céria-samária sintetizada pode ser empregada em temperaturas de operação de até 550 ºC. A céria-samária comercial com alta área superficial apresenta boa densificação para temperaturas de sinterização de apenas 800 ºC. A condutividade intergranular de amostras com tamanho médio de grãos de ~ 30 nm é inferior e o potencial de carga espacial é superior ao das amostras com maior tamanho médio de grãos. Para a céria-samária nanoestruturada, a condutividade eletrônica praticamente independe do tamanho de grãos em temperaturas de até 550 ºC. / The general proposal of this Doctorate Thesis was to study some aspects of the microstructure of electrical conducting ceramics prepared from nanoparticles and its relationship with the electrical conductivity in the sintered material. For this purpose, samarium doped ceria, a potential candidate for application as solid electrolyte in intermediate temperature solid oxide fuel cells (SOFC) was selected. The main property of interest for this application is its electrical conductivity, which is dependent on the microstructure of the sintered material. Therefore, the main specific objectives of this work were: 1) preparation and physical characterization of ceria nanoparticles containing Sm3+ as additive (Ce1-xSmxO2-x/2 with 0 x 0.3), 2) study of densification and grain growth in these materials, and 3) study of the influence of average grain size on the ionic and electronic components of the overall electrical conductivity. Solution synthesis techniques were used for obtaining powder materials, and the conventional mixing of starting oxides was also used for comparison purposes. Several techniques were used for characterization like X-ray diffraction and Raman spectroscopy for phase characterization and crystallite size calculation; electron microscopy for microstructure observation, and impedance spectroscopy for electrical conductivity determination. The homogeneous precipitation method was found to be suitable for the synthesis of nanoparticles with homogeneous size and shape along with sharp distribution of particle sizes. The use of a mixed solvent (water/alcohol) was quite effective for obtaining nanosized powders with high yield and higher electrical conductivity than those for powders prepared by the conventional method of synthesis. The densification and the electrical conductivity were maximized when water/ethanol mixture was used as solvent. Powder compacts prepared with these powders attained 95% of the theoretical density after sintering at 1200 ºC for 5 h. The electrical conductivity is predominantly ionic in samaria-doped ceria, and the electronic component of the total electrical conductivity becomes significant only at oxygen partial pressures equal or lower than 10-20 atm at 600 ºC. For application of samaria-doped ceria as solid electrolyte in SOFC the maximum operation temperature is ~ 500 ºC. Commercial samaria-doped ceria with high specific surface area may attain good densification at only 800 ºC. The grain boundary conductivity in specimens with ~ 30 nm of average grain size is lower and the space charge potential is higher than those of specimens with higher grain sizes. The electronic conductivity in nanostructured samaria-doped ceria is almost independent on the grain size for temperatures lower than 500 ºC.

Esta Tese de Doutorado teve como objetivo geral estudar alguns aspectos da microestrutura de cerâmicas condutoras preparadas a partir de nanopartículas, e sua relação com a condutividade elétrica no material sinterizado. Para isto, foi escolhida a céria-samária, cuja principal aplicação potencial é como eletrólito sólido em células a combustível de óxido sólido (SOFC) de temperaturas intermediárias de operação. A principal propriedade de interesse para fins de aplicação destas cerâmicas é sua condutividade elétrica, que é também dependente da microestrutura do material sinterizado. Assim, os principais objetivos específicos deste trabalho foram: 1) preparação e caracterização física de nanopartículas de céria contendo o íon Sm3+ como aditivo (Ce1-xSmxO2-x/2 com 0 x 0,3), 2) estudo da densificação e do crescimento de grãos na céria-samária, e 3) estudo da influência do tamanho médio de grãos nos componentes iônico e eletrônico da condutividade elétrica total. Para a obtenção de nanopartículas foram utilizadas técnicas de síntese que empregam soluções dos cátions de interesse, além da técnica convencional de mistura de óxidos, para fins comparativos. Diversas técnicas foram utilizadas para a caracterização, tais como a difração de raios X e a espectroscopia Raman, para a caracterização estrutural e determinação do tamanho de cristalito; a microscopia eletrônica para observação de alguns aspectos da microestrutura, e a espectroscopia de impedância para medida da condutividade elétrica. Os resultados mostraram que o método da precipitação homogênea é efetivo para a síntese de nanopartículas com tamanho e forma homogêneos e com estreita distribuição de tamanhos. O uso de solvente misto (água/álcool) favoreceu a obtenção de pós nanométricos com alta sinterabilidade, maior rendimento e maior condutividade elétrica do que aqueles preparados pelo método convencional. A condutividade elétrica e a densificação são maximizadas na céria-samária sintetizada em etanol/água. Os compactos preparados com esses pós atingiram 95% da densidade teórica quando sinterizados a 1200 ºC por 5 h. A condutividade elétrica da céria-samária é predominantemente iônica, e o componente eletrônico se torna significativo apenas para pressão parcial de oxigênio igual ou inferior a 10-20 atm a 600 ºC. Para fins de utilização em células a combustível como eletrólito sólido, a céria-samária sintetizada pode ser empregada em temperaturas de operação de até 550 ºC. A céria-samária comercial com alta área superficial apresenta boa densificação para temperaturas de sinterização de apenas 800 ºC. A condutividade intergranular de amostras com tamanho médio de grãos de ~ 30 nm é inferior e o potencial de carga espacial é superior ao das amostras com maior tamanho médio de grãos. Para a céria-samária nanoestruturada, a condutividade eletrônica praticamente independe do tamanho de grãos em temperaturas de até 550 ºC. / The general proposal of this Doctorate Thesis was to study some aspects of the microstructure of electrical conducting ceramics prepared from nanoparticles and its relationship with the electrical conductivity in the sintered material. For this purpose, samarium doped ceria, a potential candidate for application as solid electrolyte in intermediate temperature solid oxide fuel cells (SOFC) was selected. The main property of interest for this application is its electrical conductivity, which is dependent on the microstructure of the sintered material. Therefore, the main specific objectives of this work were: 1) preparation and physical characterization of ceria nanoparticles containing Sm3+ as additive (Ce1-xSmxO2-x/2 with 0 x 0.3), 2) study of densification and grain growth in these materials, and 3) study of the influence of average grain size on the ionic and electronic components of the overall electrical conductivity. Solution synthesis techniques were used for obtaining powder materials, and the conventional mixing of starting oxides was also used for comparison purposes. Several techniques were used for characterization like X-ray diffraction and Raman spectroscopy for phase characterization and crystallite size calculation; electron microscopy for microstructure observation, and impedance spectroscopy for electrical conductivity determination. The homogeneous precipitation method was found to be suitable for the synthesis of nanoparticles with homogeneous size and shape along with sharp distribution of particle sizes. The use of a mixed solvent (water/alcohol) was quite effective for obtaining nanosized powders with high yield and higher electrical conductivity than those for powders prepared by the conventional method of synthesis. The densification and the electrical conductivity were maximized when water/ethanol mixture was used as solvent. Powder compacts prepared with these powders attained 95% of the theoretical density after sintering at 1200 ºC for 5 h. The electrical conductivity is predominantly ionic in samaria-doped ceria, and the electronic component of the total electrical conductivity becomes significant only at oxygen partial pressures equal or lower than 10-20 atm at 600 ºC. For application of samaria-doped ceria as solid electrolyte in SOFC the maximum operation temperature is ~ 500 ºC. Commercial samaria-doped ceria with high specific surface area may attain good densification at only 800 ºC. The grain boundary conductivity in specimens with ~ 30 nm of average grain size is lower and the space charge potential is higher than those of specimens with higher grain sizes. The electronic conductivity in nanostructured samaria-doped ceria is almost independent on the grain size for temperatures lower than 500 ºC.

As cerâmicas do tipo BIMEVOX, onde ME= metal dopante com estequiometria Bi4Me2xV2(1-x)Ox(11-3x), são conhecidas como eletrólitos sólidos e a utilização destes materiais está voltada principalmente para dispositivos como: sensores de oxigênio, células de combustíveis, conversão de energia, baterias e dispositivos associados à condução iônica. Dada a dificuldade de obter-se materiais policristalinos de alta densidade, buscou-se o método dos precursores poliméricos para obter-se um pó com maior área superficial específica e, consequentemente aumentar a densificação, para melhorar assim a condutividade iônica do oxigênio. As cerâmicas BIMEVOX dopadas com 20% de Titânio em relação ao Vanádio (BITIVOX.20) foram as que apresentaram a maior condutividade, sendo de 5,39 x10-4 (Ω.cm)-1 à temperatura de 200 °C com uma a densidade relativa de 98% Esses resultados são uns dos melhores até o momento reportado na literatura / The BIMEVOX type ceramics present the general formula Bi4Me2xV2(1-x)Ox(11-3x), in which Me stands for the doping metal. They are known as soiid electrolytes and the utilization of these materiais is mairly directed towards devices such as: oxygen sensors, fuel cells, energy conversion, batteries and devices associated to the ionic conduction. Due to the difficulty of obtaining high density polycrystalline materiais, it was used the polymeric precursor method to produced a powder with higher specific surface area and therefore increase the densification, in order to improve the ionic conductivity of oxygen. BIMEVOX ceramics with titanium presenting a doping levei of 20 mol%, in relation to vanadium, (BITIVOX.20) where the ones that presented the highest conductivity, reaching the value of 5,39 x10-4 (Ω.cm)-1 at the temperature of 200 °C with a relative density of 98%. These figures represent one of the best results reported up to now in the literature

As cerâmicas do tipo BIMEVOX, onde ME= metal dopante com estequiometria Bi4Me2xV2(1-x)Ox(11-3x), são conhecidas como eletrólitos sólidos e a utilização destes materiais está voltada principalmente para dispositivos como: sensores de oxigênio, células de combustíveis, conversão de energia, baterias e dispositivos associados à condução iônica. Dada a dificuldade de obter-se materiais policristalinos de alta densidade, buscou-se o método dos precursores poliméricos para obter-se um pó com maior área superficial específica e, consequentemente aumentar a densificação, para melhorar assim a condutividade iônica do oxigênio. As cerâmicas BIMEVOX dopadas com 20% de Titânio em relação ao Vanádio (BITIVOX.20) foram as que apresentaram a maior condutividade, sendo de 5,39 x10-4 (Ω.cm)-1 à temperatura de 200 °C com uma a densidade relativa de 98% Esses resultados são uns dos melhores até o momento reportado na literatura / The BIMEVOX type ceramics present the general formula Bi4Me2xV2(1-x)Ox(11-3x), in which Me stands for the doping metal. They are known as soiid electrolytes and the utilization of these materiais is mairly directed towards devices such as: oxygen sensors, fuel cells, energy conversion, batteries and devices associated to the ionic conduction. Due to the difficulty of obtaining high density polycrystalline materiais, it was used the polymeric precursor method to produced a powder with higher specific surface area and therefore increase the densification, in order to improve the ionic conductivity of oxygen. BIMEVOX ceramics with titanium presenting a doping levei of 20 mol%, in relation to vanadium, (BITIVOX.20) where the ones that presented the highest conductivity, reaching the value of 5,39 x10-4 (Ω.cm)-1 at the temperature of 200 °C with a relative density of 98%. These figures represent one of the best results reported up to now in the literature

A economia do hidrogênio apresenta um novo horizonte para suprir a crescente demanda global por energia. As células a combustível são os dispositivos que possibilitam a utilização do hidrogênio (H2) como um interessante vetor energético uma vez que ele não emite CO2 ao reagir com o oxigênio (O2), gerando H2O e energia elétrica. A produção do hidrogênio pode ocorrer de forma descentralizada e modulada, possibilitando atender às necessidades de comunidades que o sistema estabelecido de distribuição de energia não consegue chegar. Uma célula a combustível, é composta essencialmente por 3 elementos: o anodo, o catodo e o eletrólito. Existem vários materiais disponíveis para aplicação como eletrólito em células a combustível, mas o que mais se destaca é a zircônia estabilizada com óxido de ítrio (ZEI). Devido às suas características químicas e elétricas, a zircônia estabilizada é bastante pesquisada como eletrólito de células a combustível do tipo óxido sólido (CaCOS) e conformada por colagem de fitas (tape casting). A colagem de fitas é um dos meios mais baratos, simples e eficientes para conformar suspensões cerâmicas em lâminas finas, contribuindo para seu uso em células a combustível. Considerando esses aspectos, o objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade de conformação de fitas cerâmicas de zircônia estabilizada produzidas a partir da extração do minério nacional zirconita. É consenso na literatura que suspensões cerâmicas devem ser obtidas a partir de pós com baixa área superficial (geralmente entre 0,5 a 10m2/g). No presente trabalho, as fitas foram coladas a partir de pós com elevada área superficial (geralmente entre 40 a 80m2/g). O uso do potencial zeta é recomendado para avaliar a quantidade de polieletrólito que deve ser empregada em uma determinada suspensão. No entanto, para suspensões com elevada concentração de sólidos, faz-se necessário o uso da curva de fluxo do material, devido a compressão da dupla camada elétrica. Para os estudos de reologia, o pó cerâmico calcinado foi submetido a uma classificação, em um conjunto de peneiras ABNT com diferentes aberturas de malha e descartando a fração mássica retida em malha 60. Suspensões destes pós cerâmicos foram usadas para a determinação das curvas de fluxo, fato que possibilitou a conformação dos laminados cerâmicos. Para a colagem de fitas, é necessário o uso de plastificantes e ligantes. Dentre os disponíveis, o álcool polivinílico (PVA) foi usando como ligante e o 1,2,3 propano-triol (glicerina) como plastificante. Atuando em sinergismo e em proporção adequada (2,25:1) de glicerina em relação ao PVA, foi possível obter fitas cerâmicas com as características desejadas para aplicação em células a combustível. STUDY / The hydrogen economy has been risen as new option for supply the growing global demand for energy. A fuel cell is an electrochemical device able to use hydrogen as a energy source. Carbon dioxide (CO2) emission is very low so it is ecologically friendly, once energy is produced by a reaction of hydrogen and oxygen. The production of energy from hydrogen fuelled devices can be done even in small unities and in a distributed way. It can bring energy for isolated communities, where traditional energy distribution systems can not be reached. A fuel cell is composed essentially of 3 components: anode, cathode and the electrolyte. In present days, there are many materials proposed for use as electrolyte in fuel cells. Among then, yttria stabilized zirconia (YSZ) is the most studied and effectively used in solid oxide fuel cell. Tape casting technology is a cheap, simple and efficient way to cast ceramics slurries in laminates thick enough to be used as components for fuel cells. Considering theses aspects, in this work, ceramic thin film forming was studied using tape casting technology with raw materials prepared from Brazilian zircon ores. It is described in literature that ceramic slurries are generally made from powders with low surface area (often between 0,5 to 10m2/g), and the powders used in this study had larger surface area (often between 40 to 80m2/g). The use of zeta potential is indicated to study the stability of a suspension of ceramic powders. However, for suspensions with large concentration of solid, it is also necessary to determine the flow curve, because in these conditions, the double electric layer formed during the stabilization of suspensions can be compressed. In the rheologic properties study, calcined ceramic powders were classified using a set of ABNT series screens and separated and retained by the de mesh 60 screen. Flow curve of suspension was determined in aqueous suspensions of these powders. For tape casting processing, a binder and a plasticizer have to be added to the suspensions to produce YSZ substrates. Poly(vinyalcohol) (PVA) and glycerine were used as binder and plasticizer, respectively, in this work. By the effect of both additives, at a glycerine to PVA rate of 2,25:1, it was possible to produce YSZ substrates.

A economia do hidrogênio apresenta um novo horizonte para suprir a crescente demanda global por energia. As células a combustível são os dispositivos que possibilitam a utilização do hidrogênio (H2) como um interessante vetor energético uma vez que ele não emite CO2 ao reagir com o oxigênio (O2), gerando H2O e energia elétrica. A produção do hidrogênio pode ocorrer de forma descentralizada e modulada, possibilitando atender às necessidades de comunidades que o sistema estabelecido de distribuição de energia não consegue chegar. Uma célula a combustível, é composta essencialmente por 3 elementos: o anodo, o catodo e o eletrólito. Existem vários materiais disponíveis para aplicação como eletrólito em células a combustível, mas o que mais se destaca é a zircônia estabilizada com óxido de ítrio (ZEI). Devido às suas características químicas e elétricas, a zircônia estabilizada é bastante pesquisada como eletrólito de células a combustível do tipo óxido sólido (CaCOS) e conformada por colagem de fitas (tape casting). A colagem de fitas é um dos meios mais baratos, simples e eficientes para conformar suspensões cerâmicas em lâminas finas, contribuindo para seu uso em células a combustível. Considerando esses aspectos, o objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade de conformação de fitas cerâmicas de zircônia estabilizada produzidas a partir da extração do minério nacional zirconita. É consenso na literatura que suspensões cerâmicas devem ser obtidas a partir de pós com baixa área superficial (geralmente entre 0,5 a 10m2/g). No presente trabalho, as fitas foram coladas a partir de pós com elevada área superficial (geralmente entre 40 a 80m2/g). O uso do potencial zeta é recomendado para avaliar a quantidade de polieletrólito que deve ser empregada em uma determinada suspensão. No entanto, para suspensões com elevada concentração de sólidos, faz-se necessário o uso da curva de fluxo do material, devido a compressão da dupla camada elétrica. Para os estudos de reologia, o pó cerâmico calcinado foi submetido a uma classificação, em um conjunto de peneiras ABNT com diferentes aberturas de malha e descartando a fração mássica retida em malha 60. Suspensões destes pós cerâmicos foram usadas para a determinação das curvas de fluxo, fato que possibilitou a conformação dos laminados cerâmicos. Para a colagem de fitas, é necessário o uso de plastificantes e ligantes. Dentre os disponíveis, o álcool polivinílico (PVA) foi usando como ligante e o 1,2,3 propano-triol (glicerina) como plastificante. Atuando em sinergismo e em proporção adequada (2,25:1) de glicerina em relação ao PVA, foi possível obter fitas cerâmicas com as características desejadas para aplicação em células a combustível. STUDY / The hydrogen economy has been risen as new option for supply the growing global demand for energy. A fuel cell is an electrochemical device able to use hydrogen as a energy source. Carbon dioxide (CO2) emission is very low so it is ecologically friendly, once energy is produced by a reaction of hydrogen and oxygen. The production of energy from hydrogen fuelled devices can be done even in small unities and in a distributed way. It can bring energy for isolated communities, where traditional energy distribution systems can not be reached. A fuel cell is composed essentially of 3 components: anode, cathode and the electrolyte. In present days, there are many materials proposed for use as electrolyte in fuel cells. Among then, yttria stabilized zirconia (YSZ) is the most studied and effectively used in solid oxide fuel cell. Tape casting technology is a cheap, simple and efficient way to cast ceramics slurries in laminates thick enough to be used as components for fuel cells. Considering theses aspects, in this work, ceramic thin film forming was studied using tape casting technology with raw materials prepared from Brazilian zircon ores. It is described in literature that ceramic slurries are generally made from powders with low surface area (often between 0,5 to 10m2/g), and the powders used in this study had larger surface area (often between 40 to 80m2/g). The use of zeta potential is indicated to study the stability of a suspension of ceramic powders. However, for suspensions with large concentration of solid, it is also necessary to determine the flow curve, because in these conditions, the double electric layer formed during the stabilization of suspensions can be compressed. In the rheologic properties study, calcined ceramic powders were classified using a set of ABNT series screens and separated and retained by the de mesh 60 screen. Flow curve of suspension was determined in aqueous suspensions of these powders. For tape casting processing, a binder and a plasticizer have to be added to the suspensions to produce YSZ substrates. Poly(vinyalcohol) (PVA) and glycerine were used as binder and plasticizer, respectively, in this work. By the effect of both additives, at a glycerine to PVA rate of 2,25:1, it was possible to produce YSZ substrates.

As células eletroquímicas emissoras de luz são dispositivos eletroluminescentes cuja camada ativa é uma mistura de um material eletroluminescente e um eletrólito sólido a base de sais de metais alcalinos, geralmente lítio. A presença dos íons na camada ativa modificam o mecanismo de funcionamento das células quando comparadas ao diodos emissores de luz. Nas células, a concentração de íons nas interfaces eletródicas forma uma dupla camada elétrica que auxilia a injeção de cargas na camada ativa, por sua vez e na presença dos íons, o material eletroluminescente sofre dopagem se tornando condutor, os portadores injetados irão se encontrar numa região da camada ativa recombinando-se e emitindo luz. Compreender as interações dos diversos materiais que formam a camada ativa é fundamental para otimizar o desempenho do dispositivo. Neste trabalho estudamos a interação do ADS108GE, um polímero luminescente, e um eletrólito sólido a base de poli (óxido de etileno) (PEO) e LiCF3SO3 ou LiB(C2O4)2. O LiB(C2O4)2 foi sintetizado neste trabalho para estudar a viabilidade de se substituir o LiCF3SO3 que é o sal tipicamente utilizado nas células. Foram utilizadas técnicas de Análise Dinâmico-Mecânica (DMA), Espectroscopia Vibracional no Infravermelho (FTIR), Microscopia de Força Atômica (AFM), Difração de Raios-X (DRX), Microscopia Óptica de Varredura no Campo Próximo (IR-SNOM), Impedância Elétrica e Voltametria Cíclica. Os resultados de DMA em conjunto com DRX e AFM, permitiram estabelecer que o aumento da concentração de sal contribui para mudanças morfológicas que se relacionam com o aumento da fração de fase amorfa e independem do ânion, demonstrando que estes efeitos estão ligados à interação PEO-Lítio. Por outro lado, os espectros de FTIR e resultados de impedância elétrica mostram que o aumento da concentração de LiCF3SO3 gera agregação do sal diminuindo a condutividade, a mobilidade iônica e o número de portadores efetivos, enquanto para o LiB(C2O4)2 não se observa tal efeito. O IR-SNOM permitiu identificar nas misturas utilizadas como camada ativa que o ADS108GE forma estruturas globulares embebidas numa matriz de PEO. Do ponto de vista operacional, as células a base de LiB(C2O4)2 possuem uma eficiência maior do que as a base LiCF3SO3 e maior estabilidade. / Light-emitting electrochemical cells are electroluminescent devices whose active layer is a mixture of an electroluminescent material and a solid electrolyte based on alkaline salts, usually a lithium salt. The ions within thea ctive layer change the devices working mechanism when compared to light emitting diodes. In the cells, there is an ion build up at electrodic interfaces creating an electric double layer allowing charge injection in the active layer. The electroluminescent material is doped by these injected charges becoming conductive. These injected charges recombine emitting light. In order to optimize devices performance, it is fundamental to study materials interactions when mixed as an active layer. In this work, we studied the interactions between ADS108GE, a luminescent polymer, and a solid electrolyte based on polyethylene oxide and LiCF3SO3 or LiB(C2O4)2. LiB(C2O4)2 was prepared in this work to assess its feasibility as LiCF3SO3 substitution which is the typical choice. We used the following techniques in this work: Dynamical Mechanical Analysis (DMA), Infrared Vibration Spectroscopy (FTIR), Atomic Force Microscopy AFM), X-Ray Diffraction (XRD), Infrared Scanning Near-Field Optical Microscopy (IRSNOM), Electrical Impedance and Cyclic Voltammetry. From DMA, XRD and AFM results, it is possible to conclude that as we increase salt concentration, the active layer has morphological changes related to an increasing fraction of an amorphous phase. These effects are anion independent showing that PEO-Li interactions are the responsible ones. On the other hand, FITR and electrical impedance experiments show that increasing LiCF3SO3 concentration leads to salt aggregation decreasing conductivity, ionic mobility and the effective number of carriers, moreover, we do not see this effect with LiB(C2O4)2. IR-SNOM identified that ADS108GE were organized as globular structures embedded in a PEO matrix. The cells made with LiB(C2O4)2 were more efficient than those based on LiCF3SO3 and were even more stable.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:34:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1271.pdf: 3028789 bytes, checksum: 3f5d6ad235e817cd1ee8e5e686a1dd40 (MD5) Previous issue date: 2005-09-02 / The spinels investigated in the present work were obtained by solid state reaction at 750 ºC for 72 h among the precursors ε-MnO2, LiOH and the respective oxides/salt of the doping ions. In order to control the particles size, all the spinels were milled in a ball milling for 30 min. The mechanical milling, associated or not to further calcination, was also used for obtaining the pure spinel LiMn2O4. The different obtained spinels were characterized by the average manganese valence (n), X ray diffractometry, electronic scanning microscopy, particles size distribution and specific superficial area. From the X ray diffractograms, spinels of single cubic phase belong to the Fd3m space group were identified. The calculated values for the unity cell parameter (a) were lower for the doped spinels (8,221 Å at 8,229 Å) than for the pure one (8,234 Å), decreasing in the following order: a(Li1,05Ga0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05Co0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05Al0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98S0,02) > a(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98F0,02). The values of n were higher for the doped spinels (3,56 3,50) than for the pure one (3,53 ± 0,01), decreasing in the following order: n(Li1,05Ga0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05Co0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05Al0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98F0,02) > n(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98S0,02). The mechanical milling after calcination changed the spinel particles in three aspects: formation of nanometer-scale particles, generation of lattice strain and partial oxidation of manganese ions. Before calcination, it allowed obtaining of pure spinel LiMn2O4 with highly disordered lattice structure, nanometer particles and high number of structural defects. A gel polymer electrolyte of the polyacrylonitrile (PAN)/polyvinylacrylate (PVA) was developed with different mixtures of organic solvents and lithium salts. From impedance measurements, the highest value of ionic conductivity (1,47 x 10-3 S cm-1) was obtained, at 25 oC, for the electrolyte prepared from the mixture (1:1) of ethyl (EC) and dimethyl (DMC) carbonates containing 1 mol L-1 of lithium tetrafluoroborate (LiBF4). Cyclic voltammetric measurements showed that this gel electrolyte only oxidizes at potentials close to 5 V vs. Li/Li+. In the charge and discharge tests, the cathodes of the doped spinels presented values of specific discharge capacity decreasing in the following order: C(Li1,05Al0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Al0,02Mn1,98F3,02O3,98) > C(Li1,05Ga0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Ga0,02Mn1,98F3,02O3,98) > C(Li1,05Co0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Co0,02Mn1,98F3,02O3,98). Although the Li1,05Al0,02Mn1,98S3,02O3,98 cathode presented the highest initial capacity value (126 mA h g-1), the Li1,05Ga0,02Mn1,98S3,02O3,98 cathode presented the lowest capacity fading (from 120 mA h g-1 to 115 mA h g-1, that is, only 4%) after three hundred cycles of charge and discharge. / Os espinélios investigados no presente trabalho foram obtidos por reação em estado sólido, a 750 ºC por 72 h, entre os precursores ε-MnO2, LiOH e respectivos óxidos/sal dos íons dopantes. Para controlar o tamanho de partículas, todos os espinélios foram moídos em moinho de bolas por 30 min. A moagem mecânica, associada ou não à posterior calcinação, também foi usada para obter o espinélio puro LiMn2O4. Os diferentes espinélios sintetizados foram caracterizados pela valência média do manganês (n), difratometria de raios X, microscopia eletrônica de varredura, distribuição de tamanho de partículas e área superficial específica. A partir dos difratogramas de raios X, identificou-se espinélios de fase cúbica pertencente ao grupo espacial Fd3m. Os valores calculados de parâmetro de célula unitária (a) para os espinélios dopados (8,221 Å - 8,229 Å) foram menores que para o espinélio puro (8,234 Å), diminuindo na seguinte ordem: a(Li1,05Ga0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05Co0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05Al0,02Mn1,98O4) > a(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98S0,02) > a(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98F0,02). Os valores de n dos espinélios dopados (3,56 3,50) foram maiores que o do puro (3,53 ± 0,01), diminuindo na seguinte ordem: n(Li1,05Ga0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05Co0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05Al0,02Mn1,98O4) > n(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98F0,02) > n(Li1,05M0,02Mn1,98O3,98S0,02). A moagem mecânica posterior à calcinação alterou as partículas de espinélio em três aspectos: formação de partículas em escala nanométrica, geração de distorção da rede cristalina e oxidação parcial dos íons manganês. Antes da calcinação, permitiu a obtenção do espinélio puro LiMn2O4 com estrutura cristalina altamente desordenada, partículas nanométricas e grande número de defeitos estruturais. Um eletrólito polimérico gelificado de poliacrilonitrila (PAN)/polivinilacrilato (PVA) foi desenvolvido com diferentes misturas de solventes orgânicos e sais de lítio. A partir de medidas de impedância, o maior valor de condutividade iônica (1,47 x 10- 3 S cm-1) foi obtido, a 25 oC, para o eletrólito preparado a partir da mistura (1:1) dos carbonatos de etileno (EC) e dimetileno (DMC), contendo tetrafluoroborato de lítio (LiBF4) 1 mol L-1. Medidas de voltametria cíclica mostraram que este eletrólito gelificado somente se oxida a potenciais próximos de 5 V vs. Li/Li+. Nos testes de carga e descarga, os catodos de espinélios dopados apresentaram valores de capacidade específica de descarga (C) decrescentes na seguinte ordem: C(Li1,05Al0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Al0,02Mn1,98F3,02O3,98) > C(Li1,05Ga0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Ga0,02Mn1,98F3,02O3,98) > C(Li1,05Co0,02Mn1,98S3,02O3,98) > C(Li1,05Co0,02Mn1,98F3,02O3,98). Embora o catodo de Li1,05Al0,02Mn1,98S3,02O3,98 tenha apresentado o maior valor de capacidade (126 mA h g-1), o catodo de Li1,05Ga0,02Mn1,98S3,02O3,98 apresentou a menor queda de capacidade (de 120 mA h g-1 para 115 mA h g-1, isto é, somente 4%) após trezentos ciclos de carga e descarga.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:34:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1940.pdf: 2574442 bytes, checksum: b4ca4a7517c23b7c28a54d171ff651c2 (MD5) Previous issue date: 2007-08-13 / Universidade Federal de Sao Carlos / The search for new materials for the development of catalysts, ultraviolet blockers, biomaterials and solid oxide fuel cell as alternative clean energy sources can be directly related to the use of cerium oxide or ceria (CeO2). However, understanding and controlling the synthesis methods, the structural characteristics, as well as some properties, as for instance, the oxygen ionic conductivity of this material, are of great importance to explain or foresee such applications. In this work, the synthesis of the doped ceria with gadolinium performed at room temperature, as well as the polymeric precursor method, have been comparatively used to study the effectiveness of these methods to obtain nanometer order particles. The characterization techniques were X-Ray Diffraction, Raman Spectroscopy, Thermal Analysis, Specific Superficial Area, Scanning Electron Microscopy, Transmission Electronic Microscopy and Impedance Spectroscopy. From obtained results it was possible to evidence the formation of the Ce1-xGdxO1.9-δ phase at room temperature by the coprecipitation method and despite the formation of some agglomerated particles, the homogeneity of the final microstructure was controlled through the study that employed different rate heatings. The attainment of an alternative morphology, for instance nanoribbon, was possible through processing in a hydrothermal system with microwave heating. The electrolyte with particles synthesized by the polymeric precursor method demonstrated a higher intrinsic conductivity, which is the most indicated method for the use in fuels cells. / A procura de novos materiais para o uso em células a combustíveis de óxido sólido, catalisadores de gases de exaustão de automóveis, catalisadores para o uso em reforma na obtenção de hidrogênio, bloqueadores de U.V. e biomateriais estão ligados ao uso da céria. Sendo assim, conhecer e controlar os métodos de síntese, nanoestrutura, condutividade iônica de oxigênio são de suma importância para explicar ou prever essas propriedades. Nesse trabalho, a síntese da céria dopada com gadolínio realizada à temperatura ambiente, bem como a síntese pelo método dos precursores poliméricos foi utilizada comparativamente para estudar a eficácia destes métodos de síntese, na obtenção de partículas da ordem de nanômetros. As técnicas para caracterização dos materiais incluem Difração de raios-X, Espectroscopia de RAMAN, Análise Térmica, Área Superficial Específica (BET), Microscopia Eletrônica de Varredura, Microscopia Eletrônica de Transmissão e Espectroscopia de Impedância. Através dos resultados obtidos foi possível evidenciar a formação da fase de Ce1-xGdxO1.9-δ à temperatura ambiente, através do método de coprecipitação e apesar da formação de alguns aglomerados, a homogeneidade da microestrutura final foi controlada através do estudo em que se utiliza diferentes taxas de aquecimento. A obtenção de uma morfologia diferente da convencional, no caso nanofitas, foi possível através do processamento em um sistema hidrotermal com aquecimento por microondas. O eletrólito com partículas sintetizadas pelo método dos precursores poliméricos demonstrou uma maior condutividade intrínsica, sendo este o mais indicado para o uso em células combustíveis.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:09:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1720.pdf: 4158703 bytes, checksum: d197fddbfa3ae7e8430d0103d4b3bc96 (MD5) Previous issue date: 2007-10-26 / Universidade Federal de Sao Carlos / Electrochemical sensors provide real time information of chemical compositions of molten metal. They can be used to improve the control of various metallurgical processes. One of the most successful and widely used electrochemical sensors is the oxygen sensor, based on zircônia solid electrolyte, usually used in steel making. Sensors are being developed for measurement of other chemical elements, but it is very costly and complicated to be produced. In order to solve this problem, in this work synthesis and assembly of Na-β-alumina and La-β-alumina based on solid electrolyte sensors were studied. For this, the phase of interest was prepared by the mixing of oxides, and characterized. Traditional ceramic forming processes, isostatic and slip casting, were used to produce the prototypes and their ceramic characteristics were evaluated. Both compositions did not present high density after sintering at 1600°C, reaching 90% theoretical density. This fact could be responsible for the break down during the application of the sensors. The Na-β- alumina sensor produced did not present a satisfactory performance for measuring the dissolved sulphur in liquid pig iron. On the other hand, the La-β- alumina sensor, despite of the secondary phase, showed good behavior in terms of response time (between 5 and 8 seconds) for measuring the dissolved sulphur in liquid pig iron at temperatures from 1440°C to 1460°C, with La2O2SO4 auxiliary electrode and three different reference electrodes. The signal response of EMF between 54 mV and 174 mV was measured in a measuring level from 32 ppm (weight) to 432 ppm (weight) of sulphur dissolved on the metal bath / Os sensores eletroquímicos podem fornecer informações das composições químicas em tempo real de metais fundidos. O sensor baseado em eletrólito sólido de zircônia utilizado no monitoramento de teores de oxigênio, principalmente na produção do aço, pode ser considerado como um bom exemplo de sucesso de um sensor eletroquímico. Sensores em desenvolvimento para outras aplicações, ou seja, para o monitoramento de teores de outros elementos químicos, são demasiadamente onerosos ou complexos em sua produção. Com o objetivo de gerar contribuição científica e tecnológica para este problema, a síntese e a montagem de sensores baseados em eletrólitos sólidos de Na-β-alumina e La-β-alumina foram estudados. Para isto, as fases de interesse foram preparadas por mistura de óxidos, em diversas condições de moagem e temperatura de calcinação, e caracterizadas. Dois processos tradicionais de conformação cerâmica, prensagem isostática e colagem de barbotinas, foram usados para a confecção dos protótipos, cujas características cerâmicas foram analisadas. Ambas as composições, preparadas pelos dois métodos de conformação, não apresentaram elevada densidade após sinterização à temperatura de 1600ºC, atingindo valores da ordem de 90% da densidade teórica. Este fato pode ter sido responsável pela ruptura dos protótipos durante a aplicação. O sensor baseado em Na-β-alumina, de maneira geral, não apresentou bom desempenho quando aplicado ao ensaio de medidas de enxofre em ferro líquido. Por outro lado, o sensor baseado em La-β-alumina, apesar da existência de segunda fase, obteve bom desempenho em medidas de teores de enxofre, em condições simuladas de ferro gusa em temperaturas entre 1440°C e 1460°C. Neste ensaio, cujo monitoramento foi realizado em 50 kg de ferro líquido de alta pureza e com adições controladas de enxofre, foram utilizados três tipos diferentes de eletrodo de referência e um eletrodo auxiliar de La2O2SO4. O tempo de resposta do sensor La-β-alumina variou entre 5 a 8 segundos, sendo que a FEM estável gerada foi entre 54mV e 174mV para a análise de teores de enxofre entre 32 ppm (em peso) a 432 ppm (em peso)