Preparation and characterization of composite ionic conductors based on yttria-stabilized zirconia and doped lanthanum gallate

Zircônia estabilizada com ítria, YSZ, e galato de lantânio com substituições parciais por estrôncio e magnésio, LSGM, são eletrólitos sólidos que vem sendo estudados para aplicação em células a combustível de óxido sólido. Recentemente, atenção vem sendo dada a eletrólitos sólidos compósitos com características complementares visando a obtenção de materiais com performance otimizada. Neste trabalho eletrólitos sólidos compósitos à base de YSZ e LSGM (fase majoritária) contendo como fases minoritárias a zircônia-escandia-ceria (ScCeSZ), o galato de lantânio contendo estrôncio (LSG), além de LSGM e YSZ, em proporções em massa de até 20% foram preparadas por reação em altas temperaturas e caracterizadas por diversas técnicas instrumentais. Estudos sistemáticos da microestrutura, densificação, condutividade elétrica e dureza e módulo elástico foram realizados com o intuito de correlacionar microestrutura-propriedades. Os principais resultados mostraram que a estabilidade de fase do LSGM é substancialmente melhorada nos compósitos, que também apresentaram incremento na condutividade elétrica. A dureza de todos os compósitos analisados se mostrou pouco sensível com relação à composição-base. O LSG como fase minoritária, não influenciou o mecanismo de condução do LSGM até temperaturas de 700ºC. Os compósitos apresentaram também melhoria no módulo elástico reduzido. Nos compósitos contendo LSGM e YSZ não foi possível evitar a formação da fase zirconato de lantânio, com estrutura pirocloro. A fase minoritária ScCeSZ resultou em leve aumento da condutividade elétrica da YSZ. A densificação da YSZ foi consideravelmente favorecida no compósito contendo LSGM.Yttria-stabilized zirconia, YSZ, and lanthanum gallate with partial substitutions for strontium and magnesium, LSGM, are solid electrolytes that have been studied for application in solid oxide fuel cells. Recently, attention has been given to composite solid electrolytes with complementary characteristics in order to obtain materials with optimized performance. In this work, composite solid electrolytes based on YSZ and LSGM (major phase) containing as minor phases zirconia-scandia-ceria (ScCeSZ), lanthanum gallate containing strontium (LSG), in addition to LSGM and YSZ, in mass proportions of up to 20% were prepared by reaction at high temperatures and characterized by several instrumental techniques. Systematic studies of microstructure, densification, electrical conductivity and hardness and elastic modulus were carried out in order to correlate microstructure-properties. The main results showed that the phase stability of LSGM is substantially improved in composites, which also showed an increase in electrical conductivity. The hardness of all analyzed composites was not very sensitive in relation to the base composition. LSG as a minor phase did not influence the LSGM conduction mechanism until temperatures of 700ºC. Composites also showed improvement in the reduced elastic modulus. In composites containing LSGM and YSZ as both major or minor phases, it was not possible to avoid the formation of the lanthanum zirconate phase, with a pyrochlor structure. The minor phase ScCeSZ resulted in a slight increase in the electrical conductivity of YSZ. The densification of YSZ was considerably favored in the composite containing LSGM