Development of 2D ceria-based nanostructures for thin-layer deposition in solid oxide fuel cells

Células a combustível de óxido sólido (SOFC) têm um grande potencial para fornecer energia limpa com alta eficiência energética. Entre os materiais utilizados, o óxido de cério é usado nas SOFC de última geração em diferentes componentes. Assim, este estudo teve como foco a obtenção de óxido de cério dopado com gadolínio (CGO) para a aplicação como camada de barreira em SOFC, impedindo a degradação da célula pela difusão de espécies químicas entre o eletrólito e o catodo, e como suporte no catalisador Ni-CGO para produção de H2 via reforma interna. Um extensivo e sistemático estudo foi realizado, onde diferentes metodologias de síntese foram desenvolvidas e otimizadas para obtenção de CGO com diversas morfologias, visando à obtenção de nanoestruturas bidimensionais (nanofolhas) de CGO que permitam o controle das propriedades eletroquímicas, catalíticas e microestruturais das camadas funcionais. O método de coprecipitação foi utilizado para a produção de nanoestruturas resultando em diferentes morfologias como nanofitas e nanoesferas. Ajustando-se os parâmetros de síntese foi desenvolvido um método original para produção de nanofolhas de CGO. As suspensões coloidais das nanofolhas foram usadas para deposição de filmes sobre o eletrólito de zircônia estabilizada com ítria (YSZ). A versatilidade das propriedades obtidas pelo controle minucioso da síntese das nanoestruturas de CGO foi demonstrada em duas aplicações relacionadas à tecnologia de SOFC. Camadas densas de nanofolhas de CGO foram sinterizadas em temperaturas abaixo das usualmente requeridas, evitando reações indesejadas entre as fases YSZ e CGO e funcionando como camada de barreira eficiente como demonstrado em testes eletroquímicos e de células a combustível. Nanofitas porosas de CGO foram sintetizadas por precipitação com bicarbonato de sódio, sendo utilizadas para a produção de catalisadores à base de Ni, com excelente seletividade para o hidrogênio na reforma a vapor do etanol.Solid oxide fuel cells (SOFC) have great potential to provide clean energy with high energy efficiency. Among the materials used, cerium oxide is used in state-of-the-art SOFCs in different components. This study focused on obtaining gadolinium-doped cerium oxide (CGO) for application as a barrier layer in SOFC, preventing cell degradation by the diffusion of chemical species between electrolyte and cathode, and as a support in the Ni-CGO catalyst for H2 production via internal reform. An extensive and systematic study was carried out, where different synthesis methodologies were developed and optimized to obtain CGO with different morphologies, aiming the production of two-dimensional CGO nanostructures (nanosheets) that allow the control of the electrochemical, catalytic and microstructural properties of the functional layers. The co-precipitation method was used to produce nanostructures resulting in different morphologies such as nanobelts and nanospheres. By adjusting the synthesis parameters, an original method for the production of CGO nanosheets was developed. The colloidal suspensions of the nanosheets were used for deposition of films on the yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. The versatility of the properties obtained by the meticulous control of the synthesis of CGO nanostructures was demonstrated in two applications related to SOFC technology. Dense layers of CGO nanosheets were sintered at temperatures below those usually required, avoiding unwanted reactions between the YSZ and CGO phases and functioning as an efficient barrier layer as demonstrated in electrochemical and fuel cell tests. Porous CGO nanobelts were synthesized by precipitation with sodium bicarbonate and used for the production of Ni-based catalysts, with excellent selectivity for hydrogen in the steam reforming of ethanol