Síntesis de polvos de óxido de cerio dopado con itrio y gadolinio por la técnica de sol-gel

Abstract

Cubic fluorite-type oxides such as ceria doped with heterovalents cations (such as the rare earth ions), have been considered as one of the most promising materials for solid oxide fuel cells (SOFC) and optical materials. These oxides are processed by solid state reaction method that require seven days up to complete the reaction. Due to this recently alternative methods to obtain these materials have been investigated. The objective of this study is to synthesize yttrium and gadolinium doped ceria by the sol-gel method using the Pechini process. The Pechini process is based on the ability of certain acids to form chelates. These chelates can undergo polyesterification when heated in polyhydroxy alcohol, to form a solid polymeric resin. The precursor salts were cerium, yttrium and gadolinium nitrates (in different proportions), the chelating agent was citric acid and ethylene glycol was used in order to achieve the esterification. Fine powders obtained were analyzed by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis (TG), Differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM). According with the results the fluorite-type structure of the ceria was determined with slight deviation in the lattice parameters caused by the difference in ionic radius and the amount of dopant. A chemical microanalysis was performed on the sample using SEM equipped with an Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and it was observed a homogeneous high purity material formed by cerium, oxygen, and gadolinium or yttrium.

Los óxidos con estructura cúbica fluorita como la ceria (CeO2) dopada con cationes heterovalentes (como los iones de tierras raras), han sido considerados uno de los más prometedores materiales para ser usados en las celdas combustibles de óxido sólido (SOFC) y en materiales ópticos. Estos compuestos son procesados por métodos de reacción en estado sólido los cuales requieren de tiempos de procesamiento de hasta siete días; es por ello que actualmente se investigan métodos alternativos para su obtención, siendo la intención del presente proyecto realizar la síntesis de ceria dopada con itrio y con gadolinio por el método sol-gel a través del proceso Pechini. El proceso Pechini se basa en la habilidad de algunos ácidos para formar quelatos. Estos quelatos experimentan luego poliesterificación cuando son calentados en un polihidroxialcohol para formar una resina sólida polimérica. En este caso se utilizaron sales como nitrato de cerio, nitrato de itrio y de gadolinio (en diferentes proporciones), además como agente quelatante se utilizó ácido cítrico y etilenglicol para llevar a cabo la esterificación. Una vez realizada la síntesis se obtuvieron polvos finos de óxidos que se analizaron por Difracción de Rayos X, Espectroscopia Raman, Análisis Termogravimétrico, Calorimetría Diferencial de Barrido y por Microscopia Electrónica de Barrido. A través de estos análisis pudimos observar la estructura tipo fluorita de la ceria con algunas desviaciones en su parámetro de red debidas al radio iónico y a la cantidad de dopante. Mediante un microanálisis químico a través de microscopia electrónica de barrido puede observarse un material de alta pureza constituido por cerio, oxígeno y gadolinio o itrio según sea el caso.