Resumo Soluções sólidas à base de céria (CeO2) são materiais promissores para aplicação como eletrólitos de células a combustível de óxido sólido. Apesar das boas propriedades elétricas, um dos principais inconvenientes destes materiais são as altas temperaturas de sinterização (normalmente acima de 1400 °C) necessárias para completa densificação. Com o intuito de melhorar a sinterabilidade da céria, óxidos de metais de transição com baixo ponto de fusão têm sido usados como aditivos de sinterização. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do teor de gadolínia (Gd2O3) na densificação e propriedades elétricas de soluções sólidas de céria com CuO como aditivo de sinterização. Pós com composições nominais Ce0,99-xGdxCu0,01O2-δ (x= 0, 0,2 e 0,3) foram sintetizados pelo método dos precursores poliméricos, calcinados a 500 °C e caracterizados por difratometria de raios X (DRX). A densidade relativa foi avaliada em amostras sinterizadas entre 950 e 1050 °C. As propriedades elétricas foram estudadas por espectroscopia de impedância. Os resultados de DRX indicaram a obtenção de soluções sólidas com estrutura cúbica do tipo fluorita. O uso de materiais nanoparticulados associado a um aditivo de sinterização permitiu a obtenção de cerâmicas com densidades relativas superiores a 92% após sinterização em temperaturas tão baixas quanto 1000 °C. A condutividade elétrica total foi otimizada em amostras com 20% em mol de Gd2O3.

Abstract Ceria (CeO2) based solid solutions are promising materials for use as solid oxide fuel cells electrolytes. Despite good electrical properties, one of the major drawbacks of these materials are the high sintering temperatures (typically above 1400 °C) required for full densification. In order to improve the ceria sinterability, transition metal oxides with low melting point have been used as sintering aid. In this context, the aim of this study was to evaluate the effect of gadolinia (Gd2O3) content on densification and electrical properties of ceria solid solutions with CuO as a sintering aid. Powders with nominal compositions Ce0.99-xGdxCu0.01O2-δ (x= 0, 0.2 and 0.3) were synthesized by the polymeric precursor method, calcined at 500 °C and characterized by X-ray diffraction (XRD). The relative density was evaluated in samples sintered between 950 and 1050 °C. The electrical properties were evaluated by impedance spectroscopy. The XRD results indicated the attainment of solid solutions with cubic fluorite type structure. The use of nanoparticle materials associated with a sintering aid allowed to obtain ceramics with relative densities higher than 92% after sintering at temperatures as low as 1000 °C. The total electrical conductivity was enhanced in samples with 20 mol% Gd2O3.

Resumo Uma rota de síntese em uma etapa baseada no método dos precursores poliméricos foi usada para produzir pós do nanocompósito contendo as fases CuO e céria dopada com samária (SDC). Esta rota química permitiu obter pós compósitos com reduzido tamanho de partícula e uniforme distribuição dos elementos Cu, Ce e Sm. O material particulado foi caracterizado por difração de raios X (DRX) combinado com refinamento Rietveld dos dados de difração. Compósitos CuO-SDC sinterizados em ar entre 950 e 1050 °C e em seguida reduzidos a Cu-SDC foram caracterizados por DRX e microscopia eletrônica de varredura. A porosidade aberta foi medida usando o princípio de Arquimedes. Microestruturas adequadas para os processos de transferência de carga e transporte de massa (30 a 45% de porosidade) foram obtidas em cermets Cu-SDC previamente sinterizados a 1000 a 1050 °C. Os resultados indicaram que compósitos CuO-SDC e cermets Cu-SDC com potencial aplicação como anodos de células a combustível de óxido sólido (CCOS) podem ser obtidos por projeto microestrutural. Meia célula suportada no anodo foi preparada por coprensagem e cossinterização de céria dopada com gadolínia (CGO) e o nanocompósito obtido neste trabalho.

Abstract An in situ one step synthesis route based on the polymeric precursor method was used to produce dual phase CuO-samaria doped ceria (SDC) nanocomposite powders. This chemical route allowed to obtain composite powders with reduced particle size and uniform distribution of Cu, Ce and Sm elements. The particulate material was characterized by powder X-ray diffraction (XRD) combined with Rietveld refinement. CuO-SDC sintered in air between 950 to 1050 °C and subsequently reduced to Cu-SDC cermets were further characterized by XRD and scanning electron microscopy. The open porosity was measured using the Archimedes’ principle. Suitable microstructures for both charge transfer and mass transport processes (30 to 45% porosity) were attained in Cu-SDC cermets previously fired at 1000 to 1050 °C. Overall results indicated that CuO-SDC composites and Cu-SDC cermets with potential application as anodes for solid oxide fuel cells (SOFCs) can be obtained by microstructural design. An anode supported half-cell was prepared by co-pressing and co-firing gadolinia doped ceria (CGO) and the herein synthesized CuO-SDC nanocomposite powder.