This thesis explores the synthesis and application of cerium oxide as a material in solid oxide fuel cells (SOFC) with tailored properties to decrease the processing temperature and improve the effectiveness of the catalytic and electrochemical reactions. Three approaches were investigated: i) a precipitation route for the synthesis of gadolinium doped ceria (CGO) with a sintering aid, ii) shape control of nanoceria by a hydrothermal route and application of the materials as an SOFC electrolyte and as catalytic layer for direct operation of an SOFC with ethanol, and iii) the application of a doped ceria barrier layer and nanostructured layer by a physical deposition method. The precipitation route showed to be efficient for the synthesis of nanometric ceria and the addition of Fe₂O₃ enhanced the sintering mechanism. It was inferred that Fe mostly segregates at the grain boundary interfaces of CGO, therefore, decreasing the grain boundary energy and favouring the elimination of the solid-gas interface. Nonetheless, Fe-rich phase precipitates were found to enhance the electronic contribution of CGO. Thus, the use of transition metal oxide as a sintering aid in ceria-based electrolytes should be controlled to avoid changes in charge transport in the electrolyte. The hydrothermal route was investigated as a novel approach to controlling the densification mechanism in the material. Through this simple route, CGO nanorods and nanocubes were synthesized by controlling the temperature. The CGO nanorods exhibited high surface energy, promoting mass diffusion at lower temperatures leading to a rapid densification and were therefore successfully applied as an electrolyte material in an electrolyte supported SOFC fully sintered at 1150 ºC operating at intermediate temperature. On the other hand, the CGO nanocubes had a very low sintering activity, attributed to their higher surface stability. The CGO nanorods and the CGO nanocubes were further evaluated to be applied as support materials for Ni-based catalysts in the steam reforming reaction of ethanol at intermediate temperature. The Ni catalyst on the CGO nanorod support displayed the highest activity after a heat treatment analogous to that for processing SOFCs. Hence, it was employed as a catalytic layer in an SOFC operating directly with ethanol. It was demonstrated that the fuel cell remained stable under operating condition with a continuous flow of anhydrous ethanol. Nanostructured doped ceria functional layers deposited by pulsed laser deposition (PLD) were applied as a barrier layer and as a cathode interlayer. The deposition of such functional layers was shown to enhance the cell's performance, having a role in both the durability, and increasing the oxygen reduction reaction sites. In summary, this thesis contributes towards the development of nanomaterials with tailored properties for application as functional layers of high performance SOFC.

Esta tese explora a síntese e aplicação do óxido de cério como material em células a combustível de óxido sólido (SOFC) com propriedades adequadas para diminuir a temperatura de processamento e melhorar a eficácia das reações catalíticas e eletroquímicas. Três abordagens foram investigadas: i) uma rota de precipitação para a síntese de céria dopada com gadolínio (CGO) com um auxiliar de sinterização, ii) controle morfológico de nanocéria por uma rota hidrotermal e aplicação dos materiais como eletrólito e como camada catalítica para operação de uma SOFC com etanol, iii) aplicação de uma camada de barreira de céria dopada e uma camada nanoestruturada por método de deposição física. A rota de precipitação se mostrou eficiente para a síntese de céria nanométrica e a adição de Fe₂O₃ potencializou o mecanismo de sinterização. Inferiu-se que o Fe segrega nas interfaces do contorno de grão do CGO, diminuindo a energia de contorno de grão e favorecendo a eliminação da interface sólido-gás. No entanto, os precipitados ricos em Fe favoreceram a contribuição eletrônica do CGO, assim, seu uso como auxiliar de sinterização em eletrólitos à base de céria deve ser controlado para evitar alterações no transporte de carga do eletrólito. A rota hidrotermal foi investigada como uma nova abordagem para controlar o mecanismo de densificação do material. Através desta rota simples, nanobastões e nanocubos de CGO foram sintetizados por controle de temperatura. Os nanobastões de CGO exibiram alta energia de superfície, promovendo difusão de massa em temperaturas mais baixas, levando a uma rápida densificação e, portanto, foram aplicados com sucesso como material eletrolítico em uma SOFC totalmente sinterizada a 1150 ºC. Por outro lado, os nanocubos de CGO exibiram uma atividade de sinterização muito baixa, atribuída à maior estabilidade superficial dos nanocubos. Os nanobastões e os nanocubos de CGO sintetizados foram avaliados como suportes para catalisadores à base de Ni na reação de reforma a vapor do etanol em temperatura intermediária. O catalisador de Ni suportado nos nanobastões de CGO apresentou a maior atividade após um tratamento térmico similar ao do processamento de uma SOFC, portanto, foi empregado como camada catalítica em uma SOFC operando diretamente com etanol. Foi demonstrado que a célula a combustível permaneceu estável em condições de operação com fluxo contínuo de etanol anidro. Camadas funcionais de céria dopadas nanoestruturadas depositadas por laser pulsado (PLD) foram aplicadas como camada de barreira e como camada funcional de cátodo. A deposição de tais camadas funcionais melhorou o desempenho da célula, tendo um papel importante tanto no aumento da durabilidade, quanto no aumento dos sítios de reação de redução de oxigênio. Em resumo, esta tese contribui para o desenvolvimento de nanomateriais com propriedades adequadas para aplicação em camadas funcionais de uma SOFC de alto desempenho.