Study of synthesis routes and processing of NiO-YSZ ceramic composite for use as anode in solid oxide fuel cell (SOFC)

Este estudo visa a definição de condições de síntese e processamento cerâmico que possibilitem a obtenção do componente anódico com características adequadas para a operação de uma SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), ou seja, boa distribuição microestrutural do NiO na matriz de YSZ e porosidade cerca de 30% após redução de NiO. As rotas de síntese selecionadas englobaram a coprecipitação em meio amoniacal, mistura mecânica dos pós e combustão a partir de sais de nitrato. As técnicas de caracterização de pós empregadas incluíram a difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, difração a laser, adsorção gasosa (BET) e picnometria de hélio. Os resultados obtidos indicaram que empregando-se a técnica de coprecipitação, a perda de Ni2+, na forma de complexo [Ni(NH3)n]2+, pode ser minimizada pelo controle do pH em 9,3, mantendo-se a concentração de Ni2+ na solução inicial em 0,1M. No método de mistura mecânica a melhor condição de dispersão dos pós, sem a sedimentação diferencial, foi obtida para valores de potencial zeta em pH 8,0, fixando-se a concentração de dispersante em 0,8% em massa. Na síntese por combustão observou-se que para composições pobres em combustível, os produtos finais apresentaram-se amorfos e com alta área superficial (120,2 m2.g-1). Para as composições ricas em combustível, uréia, os pós obtidos apresentaram-se cristalinos sendo que a intensidade das reflexões do padrão de DRX aumenta com o aumento do excesso de combustível, devido ao aumento da temperatura de reação. No estudo de sinterabilidade dos compactados preparados a partir de pós preparados pelos três métodos determinou-se a temperatura ao redor de 1300 ºC para máxima taxa de densificação e porosidade entre 6,0 e 14%. Os resultados da redução em atmosfera de H2 dos compósitos confirmam que a cinética de reação ocorre em duas etapas, sendo que a primeira etapa com comportamento linear é controlada por reação química na superfície. Na segunda etapa a redução passa a ser controlada pela difusão do gás nos micros poros, gerados pela redução do NiO, diminuindo a taxa de redução.This study aim the definition of synthesis and ceramic processing conditions of the anodic component suitable for operation of SOFC, i.e, homogeneous distribution of NiO in YSZ matrix and porosity after reduction above 30%. The selected synthesis routes included the co-precipitation in ammonia media, mechanical mixing of powders and combustion reaction from nitrate salts. The characterization techniques of powders included the X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, laser diffraction, nitrogen gas adsorption technique (BET) and Helium pycnometry. The obtained results indicated that the loss of Ni2+ in co-precipitation process, due to the formation of complex [Ni(NH3)n]2+, can be minimized by controlling the pH around 9.3, keeping the concentration of nickel cation in the solution to be precipitated around 0.1M. In the mechanical mixing method the best condition of powder dispersion, without differential sedimentation, was obtained for zeta potential values at pH around 8.0, fixing the dispersant concentration at 0.8%. For the combustion synthesis it was observed that when stoichiometric and twofold stoichiometric urea was used, amorphous phase was formed and a higher surface area was attained in the final products. Employing the fuel-rich solution condition, crystallization of the powder was observed and the relative intensity of reflections of XRD patterns increased with excess of fuel, due to increasing the reaction temperature. Sinterability studies of pellets prepared from powder synthesized by the three routes described above showed the temperature around 1300 º C for maximum rate densification and porosity between 6.0 and 14%. Reduction results of the composites confirmed that the reduction kinetics occurs in two steps. The first one with a linear behavior and controlled by chemical reaction on the surface. The second reduction step is the reduction that is controlled by gas diffusion in micro pores, generated by reduction of nickel oxide, decreasing the rate of reduction