Estudo da co-dopagem com Gd2O3 e CuO em soluções sólidas à base de céria

Due to the increasing demand for new energy sources, solid oxide fuel cell has proven to be a good alternative, for these devices can support a large variety of fuels and applications. Solid solutions based on Cerium (CeO2) have been considered a promising material for electrolytes due to better ionic conductivities in comparison to yttrium stabilized zirconia. The main disadvantage of ceria-based electrolyte is the need for high sintering temperatures for complete densification. The solution to low sinterability of doped ceria is related to the addition of transition metal oxides, which has low melting point, such as CuO. Thus, this work is focused on the behavior of ceria solid solutions with CuO, co-doped with content of gadolinium (Gd2O3) in the 0-30 mol% range about the sinterability, microstructure and electrical properties. Gd-doped ceria (Ce0,99-xGdxCu0,01O2-δ (0 ≤ x ≤ 0,3)) was synthesized by the polymeric precursor method. Thermal analysis was used in powders heat-treated at 300 °C in order to determine the ideal calcinations temperature. The X-ray diffraction combined with Rietveld refinement was applied to the powders calcinated to determine their crystallographic features. Relative density measurements and microstructural analysis were performed sintered in the temperature range 950-1050 °C in air. Electrical properties were investigated by impedance spectroscopy. XRD results imply the effective formation of crystalline solid solutions with cubic fluorite structure by polymeric precursor method, as well as a decrease in crystalline size by increasing gadolinium content. The densification improves and the grain size decreases by gadolinium doping. Electrical conductivity increases by adding Gd reaching a maximum of 7.81 mS/cm at 600 °C for the sample with 15 mol% of this dopant.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESDevido a demanda crescente por novas fontes de energia, as células a combustível de óxido sólido se mostram como uma boa alternativa para suprir essa demanda, pois esses dispositivos eletroquímicos possuem grande flexibilidade de combustíveis e aplicações. As soluções sólidas à base de céria (CeO2) têm sido consideradas materiais promissores para aplicação como eletrólitos, devido as condutividades iônicas serem maiores em comparação com o eletrólito tradicional de zircônia estabilizada com ítria. A desvantagem dos eletrólitos à base de céria está na necessidade de altas temperaturas de sinterização para completa densificação do material. A solução para a reduzir a temperatura de sinterização da céria dopada está relacionada com a adição de óxidos de metais de transição com baixo ponto de fusão, tais como CuO. Deste modo, o presente trabalho é focado na investigação do comportamento de soluções sólidas de céria com adição de CuO, avaliando o efeito do teor de óxido de gadolínio (Gd2O3) sobre a sinterabilidade, microestrutura e propriedades elétricas. O método dos precursores poliméricos foi utilizado para sintetizar composições nominais Ce0,99-xGdxCu0,01O2-δ (0 ≤ x ≤ 0,3). Foi utilizada a análise térmica em pós tratados termicamente a 300 °C para determinar a temperatura ideal de calcinação. A difração de raios X em conjunto com o refinamento Rietveld foi aplicada aos pós calcinados para determinar suas características cristalográficas. O estudo da sinterabilidade foi realizado por dilatometria até temperatura de 1200 °C. A densidade relativa foi determinada em amostras sinterizadas a 950, 1000 e 1050 °C e a caracterização microestrutural foi investigada por MEV para determinar o tamanho médio de grão. As propriedades elétricas foram investigadas por espectroscopia de impedância. Os resultados de DRX indicam a formação eficaz de soluções sólidas cristalinas, com estrutura do tipo fluorita, havendo uma redução do tamanho de cristalito com o aumento do teor de gadolínia. A dopagem com gadolínia favorece a densificação e diminui o tamanho do grão. A condutividade elétrica aumenta com a adição de gadolínia, atingindo um máximo de 7,81 mS/cm a 600 °C para amostra contendo 15% em mol deste dopante