Preparación de electrólitos de CeO2 dopados con Gd y TR (tierras raras TR=Pr, Nd, Eu y Er) por aleado mecánico y medición de su conductividad iónica

Abstract

Due to the environmental problems caused by the irrational use of fossil fuels and the burning of coal, the employment of green energies has become a necessity. One example are the solid oxides fuel cells (SOFC), with higher efficiencies than conventional energies. The cells consist of three parts: anode, cathode and a ceramic electrolyte between them; however, the material used as electrolyte (YSZ) is only capable to work a high temperatures, presenting a ionic conductivity of 0.1 Scm-1 at 1000 °C [1], reducing the cells’ structural material lifespan. Therefore, find materials capable to offer the same ionic conductivity at lower temperatures, as cerium oxide (CeO2) doped with trivalent cations, is required. The present project is focused in obtaining CeO2 based electrolytes, using gadolinium as first dopant (5, 10 and 15 mol%) and other rare earth (Er, Eu, Nd, Pr) as co-dopant in a 3 mol% fixed concentration. The electrolytes were prepared by mechanical alloying, observing that a change in the milling time leads not only to a decrease in particle and crystal size of the samples, but also to an increase in the value of lattice parameter. The electrolytes sintering was carried out by the pressureless conventional route (CS) and the pulsed electric current sintering (PECS), which has shown to limit the crystal growth due to the process speed and the employment of lower temperatures. Free sintering technique led to high densified samples at 1723K for 6h in air; contrary to expectations, in PECS route the sintering degree was lower due to ceria reduction in presence of low oxygen partial pressure in the equipment’s chamber and its ionic polarization when passing electric current pulses through the sample. These samples had to undergo a heat treatment to be reoxidized and to increase their density.

Debido a los problemas ambientales que causa el uso irracional de combustibles fósiles y quema de carbón, emplear energías verdes se ha vuelto necesario. Un ejemplo son las celdas de combustible de óxidos sólidos (SOFC), con eficiencias mayores a las convencionales. Estas celdas constan de tres partes: un ánodo, un cátodo y un electrólito cerámico que los separa; sin embargo, el material usado como electrólito (YSZ) restringe su uso a altas temperaturas, presentando una conductividad iónica de 0.1 Scm-1 a 1000 oC [1], lo que reduce la vida útil de los materiales estructurales empleados en las celdas. Debido a esto, se requiere encontrar materiales capaces de ofrecer la misma conductividad iónica a menores temperaturas, como el óxido de cerio (CeO2) dopado con cationes trivalentes. El presente proyecto se centra en la obtención de electrólitos basados en CeO2, utilizando gadolinio como primer dopante (5, 10 y 15% molar) y otra tierra rara (Er, Eu, Nd, Pr) como co-dopante en una concentración fija de 3% molar. Los electrólitos fueron preparados mediante molienda mecánica, observando que el cambio en el tiempo de molienda conlleva a una disminución en el tamaño de cristal y de partícula de las muestras, pero un aumento en el valor del parámetro de red calculado. La sinterización de los electrólitos se realizó mediante la ruta convencional sin presión, así como por sinterizado de pulsos de corriente eléctrica (PECS), que ha demostrado limitar el crecimiento del cristal por la rapidez del proceso y el empleo de temperaturas inferiores. La técnica de sinterizado libre dio paso a muestras altamente densas a 1450oC y 6 h en aire; contrario a lo esperado, en la ruta PECS el grado de sinterización fue menor debido a la reducción que sufre el cerio ante la baja presión parcial de oxígeno en la cámara del equipo y a su polarización iónica cuando se hacen circular pulsos de corriente eléctrica por la muestra. Estas muestras debieron ser sometidas a un tratamiento térmico de recocido para reoxidarlas e incrementar su densidad.