Processamento, microestrutura e caracterização eletroquímica de cermets Ni-CGO obtidos por síntese em uma etapa
Ni-Ce0.9Gd0.1O1.95 (Ni-CGO) cermets have been widely investigated as solid oxide fuel cell (SOFC) anodes. The electrochemical performance of these materials depends strongly on the so-called triple phase boundaries (CTFs) length, electrochemically active sites where gas, solid electrolyte (CGO) and...
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| Outros Autores: | |
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| Publicado em: |
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
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| Assuntos: | |
| Endereço do item: | https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/27550 |
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Nanocompósito Síntese em uma etapa Polarização anódica Espectroscopia de impedância. CNPQ::ENGENHARIAS |
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Nanocompósito Síntese em uma etapa Polarização anódica Espectroscopia de impedância. CNPQ::ENGENHARIAS Macedo, Daniel Araújo de Processamento, microestrutura e caracterização eletroquímica de cermets Ni-CGO obtidos por síntese em uma etapa |
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Ni-Ce0.9Gd0.1O1.95 (Ni-CGO) cermets have been widely investigated as solid oxide fuel cell (SOFC) anodes. The electrochemical performance of these materials depends strongly on the so-called triple phase boundaries (CTFs) length, electrochemically active sites where gas, solid electrolyte (CGO) and metal (Ni) are in mutual contact. The microstructural optimization of Ni-CGO anodes, involving an initial step of powder preparation an additional steps of ceramic processing, has been the most used strategy to increase CTFs length. In this context, this work is focused on assess the properties of different NiO-CGO powders obtained by chemical synthesis and by mechanical mixture of powders, as anode materials for SOFC. Emphasis is given to the study of the nanocomposite NiO-CGO obtained by a chemical route developed at UFRN, called "one-step synthesis". The first part of this paper provides a comparative microstructural study between Ni-CGO cermets prepared from the nanocomposite and a mixture of oxides previously synthesized by the polymeric precursor method. The microstructure of NiO-CGO composites and Ni-CGO cermets is investigated as a function of the content of a pore-forming agent. The electrical percolation of NiO and CGO phases is analyzed by impedance spectroscopy measurements. The second part of this paper deals with a comparative study of the correlation between the microstructure and the electrical properties of NiO-CGO composites obtained by one-step synthesis and by mechanical mixing of commercial powders. The samples were sintered between 1350 and 1450 °C and then characterized by scanning electron microscopy and impedance spectroscopy. It is observed that the total electrical conductivity of the composites obtained by one-step synthesis, measured between 100 and 500 °C, is more than an order of magnitude higher than for samples prepared from commercial powders. This result is associated to the presence of a network of well-connected and homogeneously distributed NiO grains, which is responsible for the improved percolative behavior and lower activation energy (0.24 eV at 250 - 650 °C after sintering at 1450 °C) of samples derived from nanocomposite. In the third part of this work, cermets were obtained by screen printing of NiO-CGO suspensions on dense CGO substrates. Reference anodes were prepared by mixing commercial oxides. The electrochemical performance of the cermets was studied by impedance spectroscopy and anodic polarization. Measurements were carried out in the temperature range between 650 and 750 °C and wet hydrogen atmosphere. The results indicate that the overall resistance of the anodes is dominated by the low frequency impedance. The cermet derived from the one-step
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Daniel Araújo de Macedo Tese de Doutorado PPGCEM - UFRN
powder and sintered at 1450 °C exhibits an area specific resistance of 0.15 ohm.cm2 at 750 °C and a polarization of 91 mV (measured at 750 °C and current density of 322 mA/cm2), values much better than those obtained for the reference anodes, under the same experimental conditions. The enhanced electrochemical performance of one-step cermet anodes is mainly attributed to unique microstructural features, namely small grain size (submicrometric scale even after sintering at 1450 °C) and homogeneous phase distribution, which is expected to extend the triple-phase boundary length. |
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The microstructural optimization of Ni-CGO anodes, involving an initial step of powder preparation an additional steps of ceramic processing, has been the most used strategy to increase CTFs length. In this context, this work is focused on assess the properties of different NiO-CGO powders obtained by chemical synthesis and by mechanical mixture of powders, as anode materials for SOFC. Emphasis is given to the study of the nanocomposite NiO-CGO obtained by a chemical route developed at UFRN, called "one-step synthesis". The first part of this paper provides a comparative microstructural study between Ni-CGO cermets prepared from the nanocomposite and a mixture of oxides previously synthesized by the polymeric precursor method. The microstructure of NiO-CGO composites and Ni-CGO cermets is investigated as a function of the content of a pore-forming agent. The electrical percolation of NiO and CGO phases is analyzed by impedance spectroscopy measurements. The second part of this paper deals with a comparative study of the correlation between the microstructure and the electrical properties of NiO-CGO composites obtained by one-step synthesis and by mechanical mixing of commercial powders. The samples were sintered between 1350 and 1450 °C and then characterized by scanning electron microscopy and impedance spectroscopy. It is observed that the total electrical conductivity of the composites obtained by one-step synthesis, measured between 100 and 500 °C, is more than an order of magnitude higher than for samples prepared from commercial powders. This result is associated to the presence of a network of well-connected and homogeneously distributed NiO grains, which is responsible for the improved percolative behavior and lower activation energy (0.24 eV at 250 - 650 °C after sintering at 1450 °C) of samples derived from nanocomposite. In the third part of this work, cermets were obtained by screen printing of NiO-CGO suspensions on dense CGO substrates. Reference anodes were prepared by mixing commercial oxides. The electrochemical performance of the cermets was studied by impedance spectroscopy and anodic polarization. Measurements were carried out in the temperature range between 650 and 750 °C and wet hydrogen atmosphere. The results indicate that the overall resistance of the anodes is dominated by the low frequency impedance. The cermet derived from the one-step 9 Daniel Araújo de Macedo Tese de Doutorado PPGCEM - UFRN powder and sintered at 1450 °C exhibits an area specific resistance of 0.15 ohm.cm2 at 750 °C and a polarization of 91 mV (measured at 750 °C and current density of 322 mA/cm2), values much better than those obtained for the reference anodes, under the same experimental conditions. The enhanced electrochemical performance of one-step cermet anodes is mainly attributed to unique microstructural features, namely small grain size (submicrometric scale even after sintering at 1450 °C) and homogeneous phase distribution, which is expected to extend the triple-phase boundary length. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) 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. 2019-08-17T11:47:56Z 2019-08-17T11:47:56Z 2013-03-25 doctoralThesis MACEDO, Daniel Araújo de. Processamento, microestrutura e caracterização eletroquímica de cermets Ni-CGO obtidos por síntese em uma etapa. 2013. 153f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2013. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/27550 pt_BR application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Centro de Ciências Exatas e da Terra |