Processamento, microestrutura e caracterização eletroquímica de cermets Ni-CGO obtidos por síntese em uma etapa - Macedo, Daniel Araújo de (2013)
Cermets Ni-Ce0,9Gd0,1O1,95 (Ni-CGO) têm sido largamente investigados como materiais de anodo para células a combustível de óxido sólido (SOFCs, do inglês solid oxide fuel cells). O desempenho eletroquímico destes materiais depende fundamentalmente da extensão dos chamados contornos de tripla fase (TPB, do inglês triple phase boundaries), sítios eletroquimicamente ativos onde gás, eletrólito sólido (CGO) e metal (Ni) estão em mútuo contato. A otimização microestrutural de anodos Ni-CGO, envolvendo uma etapa inicial de obtenção de pós e etapas adicionais de processamento cerâmico, tem sido a estratégia mais utilizada para aumentar a extensão dos TPBs. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo principal avaliar as propriedades de diferentes pós de NiO-CGO, obtidos por síntese química e por mistura mecânica de óxidos, como materiais de anodo para SOFC. Ênfase é dada ao estudo do nanocompósito NiO-CGO obtido por uma rota química desenvolvida na UFRN, denominada síntese em uma etapa. Na primeira parte deste trabalho é apresentado um estudo microestrutural comparativo entre cermets Ni-CGO preparados a partir do nanocompósito e de uma mistura de óxidos previamente obtidos pelo método dos precursores poliméricos. A microestrutura de compósitos NiO-CGO e cermets Ni-CGO é investigada em função do teor de um agente formador de poros. A percolação elétrica das fases NiO e CGO é analisada por medidas de espectroscopia de impedância. A segunda parte deste trabalho aborda um estudo comparativo da correlação entre a microestrutura e as propriedades elétricas de compósitos NiO-CGO obtidos por síntese em uma etapa e por mistura mecânica de pós comerciais. As amostras foram sinterizadas entre 1350 e 1450 °C e caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de impedância. Observa-se que a condutividade elétrica total dos compósitos obtidos por síntese em uma etapa, medida entre 100 e 500 °C, é mais que uma ordem de magnitude superior que a de amostras preparadas a partir de pós comerciais. Este resultado está associado à presença de uma rede de grãos de NiO bem conectados e homogeneamente distribuídos, o que é responsável pelo melhor comportamento percolativo e menor energia de ativação (0,24 eV a 250 – 650 °C, após sinterização a 1450 °C) das amostras derivadas do nanocompósito. Na 7 Daniel Araújo de Macedo Tese de Doutorado PPGCEM - UFRN terceira parte deste trabalho, os cermets foram obtidos por serigrafia de suspensões cerâmicas de NiO-CGO sobre substratos densos de CGO. Anodos de referência foram preparados por mistura de óxidos comerciais. O desempenho eletroquímico dos cermets foi estudado por medidas de espectroscopia de impedância e polarização anódica. As medidas foram realizadas na faixa de temperatura entre 650 e 750 °C, em atmosfera de hidrogênio úmido. Os resultados indicam que a resistência global dos anodos é dominada pela impedância de baixa frequência. O cermet obtido por síntese em uma etapa e sinterizado a 1450 °C apresenta uma resistência específica por área de 0,15 ohm.cm2 a 750 °C e uma polarização de 91 mV (medida a 750 °C e densidade de corrente de 322 mA/cm2), valores muito melhores que os obtidos para os anodos de referência, nas mesmas condições experimentais. O superior desempenho eletroquímico dos cermets obtidos por síntese em uma etapa é atribuído às suas características microestruturais diferenciadas, nomeadamente um reduzido tamanho de grão (escala submicrométrica mesmo após sinterização a 1450 °C) e distribuição homogênea de fase, que contribuem para aumentar a extensão dos contornos de tripla fase.