Dissertação
Sinterização Convencional e por micro-ondas da perovskita BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δ para utilização em células a combustível de óxido sólido.
Registro en:
HAGY, Lidyane da Silva. Sinterização Convencional e por micro-ondas da perovskita BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δ para utilização em células a combustível de óxido sólido. 2021. Dissertação. (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa. Ponta Grossa. 2021.
Autor
Hagy, Lidyanne da Silva
Institución
Resumen
Fuel cells consist of two electrodes separated by an electrolyte and produce energy
from renewable sources. Among the types of fuel cells are Solid Oxide Fuel Cells
(SOFC), which operate with a dense solid ceramic electrolyte and whose operating
temperature is the highest compared to other types. A promising route to reduce the
operating temperature of this type of fuel cell is the use of ceramics with proton
conduction, such as perovskites based on barium cerate and barium zirconate, which,
however, require long times and high temperatures of sintering. To improve the
sinterability of these ceramics, resources that can be used are the addition of oxides
that act as sintering aids and other unconventional sintering methods, such as those
using microwave radiation. In this work, the conventional (between 1200°C and
1500°C/4h) and microwave (between 1300°C and 1500°C/0.5h) sintering of
BaCe0.2Zr0.7Y0.1O3-δ perovskite was studied (BCZY) to act as a SOFC electrolyte with
proton conductivity. The synthesis method used was the solid state reaction, and ZnO
and NiO oxides were used as sintering additives, in the percentages of 2 and 4% mol
for each oxide. After synthesis, in all studied compositions, three more phases were
identified in the X-ray diffractograms, in addition to the BCZY phase. After conventional
and microwave sintering, peaks exclusively referring to the BCZY phase were verified.
The addition of oxides, used as sintering additives, proved to be efficient, as the relative
densities reached values above 95%, even at the lowest temperatures of conventional
sintering. In microwave sintering, additives also had an effect on sinterability and,
compared to the conventional method, a reduction of 3.5 hours in the firing level was
obtained. In the microstructural analysis, performed by scanning electron microscopy
with EDS mapping, second phases were identified in the compositions with the use of
additives and a greater homogeneity in the distribution of elements for microwave
sintering. In the dense samples, impedance spectroscopy measurements were
performed, where the highest values of total conductivity were found for the
composition with 2%mol ZnO and 2%mol NiO, sintered at 1300°C/4h conventionally.
In microwave sintering, the highest conductivity value, comparable to the conventional
one, was observed for a burning condition of 1400°C/0.5h, in the composition with
2%mol ZnO. As células a combustível são formadas por dois eletrodos separados por um eletrólito
e produzem energia através de fontes renováveis. Dentre os tipos de células a
combustível estão as Células a Combustível de Óxido Sólido (CaCOS), as quais
operam com um eletrólito cerâmico sólido denso e cuja temperatura de operação é a
mais alta em relação aos demais tipos. Uma rota promissora para a redução da
temperatura de operação desse tipo de célula a combustível é a utilização de
cerâmicas com condução protônica, como as perovskitas a base de cerato de bário e
zirconato de bário, que, porém, demandam longos tempos e altas temperaturas de
sinterização. Para aprimorar a sinterabilidade destas cerâmicas, recursos que podem
ser utilizados são a adição de óxidos que atuam como auxiliares de sinterização e
outros métodos de sinterização não convencional, como aqueles que utilizam a
radiação de micro-ondas. Neste trabalho, foi estudada a sinterização convencional
(entre 1200°C e 1500°C/4h) e por micro-ondas (entre 1300°C e 1500°C/0,5h) da
perovskita de composição BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δ (BCZY) para atuar como eletrólito de
CaCOS com condutividade protônica. O método de síntese utilizado foi o de reação
no estado sólido, e foram utilizados como aditivos de sinterização os óxidos ZnO e
NiO, nos percentuais de 2 e 4%mol para cada óxido. Após a síntese, em todas as
composições estudadas foram identificadas mais três fases nos difratogramas de raio
X, além da fase BCZY. Após a sinterização convencional e por micro-ondas foram
verificados picos exclusivamente referentes à fase BCZY. A adição dos óxidos,
utilizados como aditivos de sinterização mostrou-se eficiente, pois as densidades
relativas alcançaram valores acima de 95%, mesmo nas menores temperaturas da
sinterização convencional. Na sinterização por micro-ondas os aditivos também
tiveram efeito na sinterabilidade e, comparando com o método convencional, foi obtida
uma redução de 3,5h no patamar de queima. Na análise microestrutural, realizada por
microscopia eletrônica de varredura com mapeamento por EDS, foram identificadas
segundas fases nas composições com uso de aditivos e uma maior homogeneidade
na distribuição dos elementos para a sinterização por micro-ondas. Nas amostras
densas, foram realizadas medidas de espectroscopia de impedância onde
constataram-se os maiores valores de condutividade total para a composição com
2%mol ZnO e com 2%mol NiO, sinterizadas em 1300°C/4h convencionalmente. Na
sinterização por micro-ondas o maior valor de condutividade, equiparável ao da
convencional, foi observado para uma condição de queima de 1400°C/0,5h, na
composição com 2%mol ZnO. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior