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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.85.2008.tde-17082009-121831
Document
Author
Full name
Eduardo Caetano Camilo de Souza
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2008
Supervisor
Committee
Muccillo, Eliana Navarro dos Santos (President)
Constantino, Vera Regina Leopoldo
Fonseca, Fabio Coral
Leite, Edson Roberto
Rocha, Renata Ayres
Title in Portuguese
Relação microestrutura-propriedades do eletrólito sólido Ce1-xSmxO2- preparado a partir de nanopartículas
Keywords in Portuguese
condutividade elétrica
Eletrólito sólido
nanopartículas
Abstract in Portuguese
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.
Title in English
Microstructure-Property Relationship in Ce1-xSmxO2- Solid Electrolyte Prepared from Nanoparticles
Keywords in English
condutividade elétrica
Eletrólito sólido
nanopartículas
Abstract in English
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.
 
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Publishing Date
2009-08-18
 
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