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Previous issue date: 2013-10-21 / 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 / As c?lulas a combust?vel s?o tidas como uma das mais promissoras formas de
convers?o de energia el?trica devido ao seu alto rendimento e por utilizar o hidrog?nio
como combust?vel, considerado por muitos a principal fonte limpa de energia para o
futuro. C?ria dopada com terras raras tem sido amplamente investiga como material
alternativo para eletr?lito de c?lulas a combust?vel de ?xido s?lido (SOFC) devido sua
alta condutividade i?nica em baixas temperaturas de opera??o quando comparado com
os tradicionais eletr?litos ? base de zirc?nia estabilizada. Neste seguimento de pesquisa,
este trabalho investiga o efeito do ?xido de g?lio (G?lia) como aditivo de sinteriza??o
em eletr?litos cer?micos a base de c?ria dopada com eur?pio, uma vez que este efeito j?
foi investigado por outros em eletr?litos ? base de c?ria dopada com Gd, Sm e Y. A
meta almejada com a utiliza??o do aditivo de sinteriza??o ? reduzir a temperatura de
sinteriza??o para a produ??o de cer?micas densas. Neste trabalho investigou-se o efeito
na densifica??o, na microestrutura e na condu??o i?nica causado por diferentes fra??es
molares do dopante eur?pio (10, 15 e 20%) e do aditivo de sinteriza??o ?xido de g?lio
(0,3; 0,6 e 0,9%), em amostras sinterizadas a 1300, 1350 e 1450
0
C. A c?ria co-dopada
com 10 e 20% de Sm e com os mesmos teores do aditivo de sinteriza??o g?lia,
sinterizadas a 1350, 1450 e 1500
0
C, tamb?m foi investigada, por sua vez, como
par?metro de refer?ncia experimental, haja visto que, nesta pesquisa, adotou-se s?nteses
pelo m?todo de complexa??o de c?tions enquanto que os trabalhos encontrados na
literatura utilizaram o m?todo convencional. Os p?s cer?micos sintetizados foram
caracterizados por FRX, DRX e MEV e as amostras cer?micas sinterizadas por sua
densidade relativa, MEV e espectroscopia de imped?ncia. Verifica-se que a G?lia com
teores at? 0,6% atua como um excelente aditivo de sinteriza??o na c?ria dopada com Eu.
Acima deste teor e at? 0,9% a adi??o da g?lia n?o promove significativos aumentos na
densidade da cer?mica. Nas amostras livres do Ga, as maiores densifica??es foram
alcan?adas com 15% de Eu, efeito manifestado na micro-estrutura com os maiores
crescimentos de gr?os, embora ainda reduzidos e circundados por muitos poros abertos.
Densidades relativas superiores a 95% da densidade te?rica podem ser obtidas com
sinteriza??es entre 1300 e 1350
0
C, contra as usuais 1500 a 1600
0
C. Com a c?ria co-dopada com 10% de Sm e 0,9% de Ga alcan?ou-se neste trabalho 96% da densidade
te?rica com sinteriza??o a 1350
0
C por 3h, um ganho em rela??o aos 97% alcan?ados
com a c?ria 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 adi??o da G?lia em eletr?litos ?
base de c?ria dopada com Eu apresenta efeito positivo na condutividade do gr?o e
negativo na do contorno de gr?o resultando em uma pequena redu??o na condutividade
total, a qual n?o compromete sua promissora aplica??o como aditivo de sinteriza??o.
Valores t?picos da condutividade total a 600 e 700
0
C, em torno de 10 e 30 mS.cm
-1
respectivamente, foram alcan?ados neste trabalho. As amostras de eletr?litos ? base de
c?ria co-dopada com 15% de Eu e 0,9% de Ga, sinterizados a 1300 e 1350
0
C,
alcan?aram densidades relativas superiores a 96% e condutividade a 700
0
C entre 20 e
33 mS.cm
-1
. A sinteriza??o simult?nea do eletr?lito com o anodo ? uma das metas da
pesquisa em materiais para SOFCs. Os resultados alcan?ados neste trabalho sugerem
que eletr?litos densos ? base de c?ria co-dopada com Eu e Ga podem ser sinterizados
simultaneamente com o anodo ? temperatura de sinteriza??o entre 1300 e 1350
0
C, a
faixa de temperatura usual de sinteriza??o do anodo poroso
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufrn.br:123456789/12851 |
| Date | 21 October 2013 |
| Creators | Ohl, Wilson Jos? |
| Contributors | CPF:80732810400, http://lattes.cnpq.br/8671649752936793, Martinelli, Ant?nio Eduardo, CPF:15724520800, http://lattes.cnpq.br/0022988322449627, Paskocimas, Carlos Alberto, CPF:06296687877, http://lattes.cnpq.br/2365059843175411, Rabelo, Adriano Alves, CPF:07558498848, http://lattes.cnpq.br/6564133385744551, Macedo, Daniel Araujo de, CPF:01152094416, http://lattes.cnpq.br/1027496814443777, Nascimento, Rubens Maribondo do |
| Publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de P?s-Gradua??o em Ci?ncia e Engenharia de Materiais, UFRN, BR, Processamento de Materiais a partir do P?; Pol?meros e Comp?sitos; Processamento de Materiais a part |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFRN, instname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte, instacron:UFRN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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