Produção de materiais com gradiente funcional para células a combustível de óxido sólido - Batista, Rafaella Siqueira Rodrigues (2023)
Células a combustível têm como princípio a conversão de energia química em elétrica. Essas células têm como vantagem ser uma fonte de energia limpa. Existem diversos tipos de células a combustível, sendo as principais diferenças entre elas o eletrólito utilizado e a temperatura de operação. Dentre essas células, tem-se a célula a combustível de óxido sólido (CaCOS), aonde o eletrólito é composto por óxidos sólidos. As células a combustível são formadas por dois eletrodos porosos, separados por um eletrólito denso. Para a produção dos eletrólitos das CaCOS, materiais com estrutura perovskita, como ceratos e zirconatos, vêm sendo estudados por apresentarem boas propriedades de condutividade protônica, especialmente quando dopados. No ânodo, a adição de níquel a outros óxidos é muito utilizada, visando a melhoria da condutividade elétrica. A fase metálica atua facilitando a redução do combustível e criando um caminho para o íon H+ até a fronteira eletrodo-eletrólito. Um dos problemas apresentados na produção das células a combustível é a interface entre o eletrólito e os eletrodos, pois, devido às diferentes propriedades entre os materiais, podem surgir tensões que provocam descolamento entre eles. Uma das possíveis maneiras de evitar esse problema é a utilização de materiais com gradiente de composição. A variação gradual permite uma melhor adesão entre eletrodo e eletrólito e pode evitar, ou ao menos amenizar, problemas de expansão térmica. Neste trabalho foi estudada a produção, pelo processo de co-presangem, de uma meia-célula a combustível composta por um eletrólito de BCZY (BaCe0.2Zr0.7Y0.1O3–δ) e um eletrodo de BCZY-NiO, sendo o NiO adicionado na forma de gradiente funcional de composição. Foram feitas três camadas do eletrodo BCZY-Ni, com quantidade de níquel de 50, 30 e 10 % em peso (composições 50-50, 70-30 e 90-10, respectivamente). A composição inicial foi feita com NiO, e após sinterização, a amostra foi aquecida a 900oC por 6 horas, em atmosfera redutora de 96% Ar e 4% H2, para a redução do NiO a níquel metálico. A temperatura de sinterização (1350oC) foi determinada após a caracterização física das composições individualmente. Por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva foi comprovada a formação do Ni metálico e o aumento de porosidade, nas composições 50-50 e 70-30. Por MEV, foi possível observar que a adesão entre as camadas do gradiente funcional se apresentou sem descolamentos ou trincas. Células feitas sem gradiente funcional, apenas com a camada 50-50 e BCZY apresentaram inúmeras trincas após sinterização, indicando a eficiência das camadas para manter a integridade da célula. Por espectroscopia de impedância, a condutividade para a composição 50-50 foi de 0,1 S/cm à 900°C e sua energia de ativação de 0,04 eV, indicando condutividade predominantemente eletrônica. A condutividade das composições 70-30 e 90-10 foram de 7,22·10-5 S/cm e 5,05·10-5 S/cm e suas energias de ativação de 0,52 eV e 0,51 eV, ambos resultados indicativos de condutividade predominantemente protônica. A célula apresentou condutividade de 2,14·10-3 S/cm a 800°C, valor comparável com trabalhos utilizando composições similares.