Caracterización de nanofilms de ceria dopada con itria o con samaria

Abstract

Las cerámicas nanoestructuradas de ceria dopadas con 10% molar de óxido de itrio -Y2O3 (CYO) o con 1% molar de óxido de samario -Sm2O3 (CSO) son consideradas materiales promisorios para electrolitos y electrodos de pilas de combustible del tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) debido a su alta conductividad por oxígeno. En trabajos previos, los autores [1, 2] estudiaron las propiedades eléctricas de CYO y CSO en función del tamaño de grano empleando EIS. Se encontró un aumento remarcable en la conductividad iónica total de un orden de magnitud en comparación con la conductividad intrínseca en volumen de las cerámicas microcristalinas convencionales atribuido al predominio de la conducción por borde de grano. En este trabajo, se estudian por DRX, FESEM y HRTEM los factores microestructurales de nanopelículas de CYO y CSO que pueden afectar la conductividad: densidad de bordes de grano (relacionado con el tamaño de cristalita, características de los granos vecinos con bordes de baja, mediana o alta desorientación, ns y str bu n poros y volu n los f tos por l pro so fl sh f r n , entre otros.Las pilas de combustible convencionales (HT-SOFCs) operan a altas temperaturas HT con Top = 900 oC-1000 oC, lo que limita el uso de algunos materiales cerámicos en la construcción de estos dispositivos ya debido al inconveniente relacionado con la degradación térmica de los componentes de las pilas. Se realizaron numerosas investigaciones de síntesis y caracterización de los materiales componentes disminuyendo la Top = 550oC - 750oC para construir IT-SOFCs de temperaturas intermedias (IT).Los requerimientos necesarios para electrolitos de pilas de combustible son: estabilidad química, alta conductividad, condiciones convenientes de sinterizado, alta densidad y ninguna porosidad abierta. Estas propiedades han sido encontradas en la cerámica ceria (CeO2) dopada con itria-Y2O3 (CYO) o con samaria- Sm2O3 (CSO). Cuando la ceria se dopa con cationes trivalentes, se crean vacancias de oxígeno necesarias para el proceso de conducción por iones oxígeno. Se encontró que la conductividad iónica total aumenta en un orden de magnitud en comparación con la de los materiales microcristalinos, hecho atribuido a la migración rápida de vacancias de oxígeno con un movimiento translacional deslocalizado por saltos grandes (big hops) a través de los bordes de grano. En esta investigación, se emplearon films delgados de CYO y CSO nanocristalinas y se caracterizaron por DRX, FESEM y HRTEM Fig. 1a y 1b (con FF-f st f r n ?previo de 3min a 800oC-1400oC). Se estudiaron los efectos del FF: crecimiento de grano, velocidad de sinterizado, características de los bordes de grano, diámetro de grano y de cristalitas, densidad de poros, densificación de films, presencia de defectos y su evolución para aplicar modelos difusionales y lograr preparar electrolitos sólidos con mayor estabilidad y mejor calidad.