Study of novel proton conductors for high temperature solid oxide cells

The main objective of the present work was the systematic study of several groups of materials: Gd₃₋ₓMeₓGaO₆₋₅ (Me = Ca²+, Sr²+), Ba₂Nb₁₋ₓY₁₊ₓO₆₋₅, and BaZr₀.₈₅Y₀.₁₅O₃₋₅ (BZY15) as proton conductors. We developed a synthesis route for each group of materials such as sol-gel combustion method, freeze-drying synthesis and modified citrate-EDTA complexing method. Pure nanopowders and dense ceramics were obtained after these syntheses plus a classical sintering process. The structure and composition of the obtained products were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The temperature dependences of the conductivity were investigated by impedance spectroscopy as a function of pO₂ and pH₂O. For the family of Gd₃₋ₓMeₓGaO₆₋₅ (Me = Ca²+, Sr²+), we studied the influence of dopant nature and content on the structural and electrical properties. Results indicate that the substitution possible till 10 % of doping content. According to the SEM observations, the grain size is increased with increasing dopant content. Concerning electrical properties, we found an increase of conduction with increasing dopant content. All compounds present a good stability in humid, hydrogen and CO₂ containing atmosphere. In case of Ba₂Y₁₊ₓNb₁₋ₓO₆₋₅ materials, the physico-chemical properties of synthesized materials have been characterized by the XRD and SEM techniques. The average grain size increased significantly with increasing amount of Y³⁺. Conduction properties were slightly improved with the partial substitution of niobium by yttrium. The stability of Ba₂Y₁₊ₓNb₁₋ₓO₆₋₅ compounds was investigated under different atmospheres and conditions. The ionic conduction in this case is quite low, which has been explained by futher molecular dynamics simulations. Finally, we studied the influence of an ZnO and NiO additives on the sintering of BZY15, being these sintering aids used to lower the sintering temperature. Zinc oxide as a sintering aid lowers the sintering temperature by 300 °C and slightly increases the bulk and total conductivity of BZY15.L'objectif principal de ce travail était l'étude systématique de plusieurs groupes de matériaux conducteurs protoniques: Gd₃₋ₓMeₓGaO₆₋₅ (Me = Ca²+, Sr²+), Ba₂Nb₁₋ₓY₁₊ₓO₆₋₅, et BaZr₀.₈₅Y₀.₁₅O₃₋₅ (BZY15). Nous avons développé une voie de synthèse pour chaque groupe de matériaux tels que le procédé de combustion sol-gel, la synthèse lyophilisation et le procédé de complexation de citrate-EDTA modifié des nanopoudres pures et des céramiques denses ont été obtenus après ces synthèses suives d'un processus de frittage classique. La structure et la composition des produits obtenues ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à balayage (MEB). La variation de la conductivité en fonction de la température a été étudiée par spectroscopie d'impédance, ainsi que la dépendance en fonction de pO₂ et pH₂O. Pour la famille de Gd₃₋ₓMeₓGaO₆₋₅ (Me = Ca²+, Sr²+), nous avons étudié l'influence de la nature et la quantité de dopant sur les propriétés structurales et électriques. Les résultats indiquent une solution solide possible jusqu'à 10% de taux du substituant. Selon les observations au MEB, la taille des grains est augmente le taux de substitution. En ce qui concerne les propriétés électriques, nous avons constaté une augmentation de la conduction avec le taux de substitution. Tous les composés présentent une bonne stabilité en milieu humide, sous hydrogène et CO₂. Dans le cas des matériaux Ba₂Y₁₊ₓNb₁₋ₓO₆₋₅, les propriétés physico-chimiques des matériaux synthétisés ont été caractérisées par la diffraction des rayons X et par MEB. La taille moyenne des grains a considérablement augmenté avec l'augmentation du taux de Y³⁺. Les propriétés de conduction ont été légèrement améliorées avec la substitution partielle de niobium par l'yttrium. La stabilité de Ba₂Y₁₊ₓNb₁₋ₓO₆₋₅ composés a été étudiée sous différentes atmosphères et conditions. Les propriétés de conduction ionique restent modestes ce qui a été explique par des simulations de dynamique moléculaire. Enfin, nous avons étudié l'influence d'emploi d'un additif ZnO et NiO lors de la synthèse de BZY15, les adjuvants de frittage pouvant être utilisés pour abaisser la température de frittage. L'oxyde de zinc comme un adjuvant de frittage permet de diminuer de 300 °C la température de frittage et d'augmenter légèrement la conduction ionique