Síntese e caracterização da cerâmica de [BaZr0,1Ce0,7Y0,1Yb0,1O3-δ] para uso como eletrólito de Células a Combustível de Cerâmicas Protônicas (PCFCs)

Abstract

O presente trabalho teve por objetivo preparar a cerâmica de BaZr0,1Ce0,7Y0,1Yb0,1O3-δ considerando a aplicação como eletrólito de Células a Combustível de Cerâmicas Protônicas (PCFCs). A cerâmica foi preparada pelo Método do EDTA-Citrato e avaliou-se a influência do pH na estrutura, após a calcinação. Avaliou-se também sua influência na densificação, condutividade elétrica e estabilidade química em atmosfera de CO2. Os resultados de caracterização físico-química do material em pó indicaram a formação da fase perovskita sob sistema monoclínico em temperaturas de 700ºC-1000ºC, mas que contem resíduos de carbonatos, independente da faixa de pH da síntese. Em temperaturas de calcinação de maiores que 1200ºC/3h, os materiais sintetizados em 5≤pH≤6 mantiveram sob estrutura cristalina perovskita do sistema monoclínico (menos simétrico), porém, os materiais sintetizados em 8≤pH≤9 organizaram-se sob estrutura cristalina perovskita no sistema ortorrômbico (mais simétrico). Para ambas as faixas de pH de síntese, resíduos de carbonatos estáveis foram encontrados até uma temperatura de 1200ºC. Os materiais obtidos em ambas as faixas de pH apresentaram alto grau de densificação (densidades relativas >97%), requerendo temperaturas de 1450oC. Os resultados de espectroscopia de impedância elétrica na faixa de 400ºC-600ºC mostraram que o material sintetizado em 8≤pH≤9 apresentou altos valores de condutividade protônica (0,601-4,17 mS/cm) em atmosfera de 20%O2/N2 e 20%H2/N2 umidificadas. Os resultados de estabilidade térmica em atmosfera de 10% em mol de CO2 mostraram que o material possui adequada estabilidade química em temperaturas de 500ºC, podendo ser utilizado como eletrólito de PCFC sob esta condição.

This work aimed to prepare the BaZr0,1Ce0,7Y0,1Yb0,1O3-δ ceramic for the application as electrolyte of Protonic Ceramic Fuel Cell (PCFCs). The ceramic was synthesized by EDTA-Citrate Method and the pH influence (5≤pH≤6 and 8≤pH≤9) was evaluated. After, densification, electrical conductivity and chemical stability (in CO2 10mol% atmosphere) were studied. Concerning to physicochemical characterization results of powder, it was observed the formation of perovskite phase with monoclinic system when treated at 700ºC-1000ºC and it was observed the presence of stable carbonates up to 1200ºC/3h for both pH synthesis conditions. At 1200ºC/3h, the materials synthesized at 5≤pH≤6 range maintained under perovskite monoclinic system (less symmetrical). On the other hand, the materials synthesized at 8≤pH≤9 range structured under perovskite orthorhombic system (more symmetrical). After the densification process at 1450ºC/3h the materials maintained the previous crystalline structures. The materials showed high level of the densification (relatives densities >97%) for the both pH range. The electric impedance spectroscopy analysis of the materials synthesized at 8≤pH≤9 range showed high protonic conductivity (0,601-4,17 mS/cm) at humidified atmosphere of 20%O2/N2 and 20%H2/N2, at 400ºC-600ºC range. The chemical stability results (in CO2 10mol% atmosphere) showed that the material has adequate chemical stability in temperatures of 400-500ºC and that it can be used as PCFCs electrolyte in this temperature range.