Soluções inovativas de engenharia de contorno de grão para aumentar o transporte iônico nas interfaces cerâmicas

Descrição

O aumento da procura global por energia está a tornar-se cada vez mais insustentável para o ambiente. Soluções tecnológicas para gerenciar e converter energia de forma eficiente são procuradas para resolver esse problema. As células de óxido sólido (SOCs) são uma dessas soluções, oferecendo a capacidade de converter energia química a partir de gases combustíveis (células de combustível de óxido sólido - SOFC) e separar a água em hidrogênio e oxigênio ou reformar CO2 em CO e O2 (células eletrolisadoras de eletrólito sólido - SOEC). Estes dispositivos de última geração são uma escolha lógica para a transição para o desenvolvimento energético sustentável. Eles são altamente eficientes e flexíveis e podem suportar processos power-to-power. A estrutura de um SOC é aproximadamente baseada em dois elétrodos porosos separados por um eletrólito denso. A inovação contínua em materiais e rotas de processamento em relação aos elementos principais do SOC é necessária para melhorar o seu desempenho, prolongar a sua vida útil e reduzir custos. O conceito de SOCs está fortemente ligado aos objetivos 7 e 13 da Agenda 2030 para o Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas. A céria dopada com Gd (GDC) é um condutor de íons óxido relevante para o desenvolvimento de tecnologias do tipo SOC. O GDC tem uma funcionalidade crucial como eletrólito dentre todas as prováveis aplicabilidades no sistema. O desempenho do SOC depende das propriedades elétricas internas do GDC. O transporte de espécies condutoras ao longo ou através do limite de grão (LG) surge como um fator predominante que influencia as propriedades gerais do GDC. Esses LGs servem como caminhos altamente condutores ou como barreiras de alta resistência, impactando significativamente o desempenho e a eficiência dos materiais. Compreender e otimizar os mecanismos de transporte de carga nas interfaces cerâmicas são determinantes para melhorar a funcionalidade deste óxido para sistemas eletroquímicos. Em linha com este cenário, o objetivo deste projeto é a exploração da precipitação da fase intergranular (quase) percoladas, para gerar caminhos de condução iônica rápida. A capacidade de segregação de Gd3+ nas regiões LG do GDC fornece as condições inerentes desejadas. As reações químicas locais com espécies externas, como sais de metais alcalinos, são o tema central desta possibilidade. No sistema GDC, observa-se a influência dos sais de metais alcalinos como agentes externos quando misturados em uma etapa precursora ao óxido. Mais recentemente, descobertas indicam a possibilidade real de interação local do LG através dos sais, mesmo no GDC sinterizado. A nucleação da fase intergranular pode ser ajustada usando síntese e impregnação de sais em cerâmica densa. A simplicidade desta abordagem é evidente, considerando que a investigação padrão de fases intergranulares de condução rápida utiliza a combinação de vários elementos e a formação de interfases complexas. Além disso, evitando explicações complexas, as propriedades elétricas dos LGs do GDC co-dopadas com cátions de metais alcalinos sugerem propriedades de transporte iônico aumentadas, considerando circunstâncias específicas. Até agora não estudado, o rápido transporte iônico a partir de uma fase intergranular é aparentemente uma possibilidade para melhorias observadas. Este projeto tem como alvo a construção dessas fases. Estudos sobre a relação entre rotinas de processamento e tratamentos térmicos específicos envolvendo diversos sais fundidos com composição de fase intergranular nos LGs devem ser realizados. Isto permite identificar condições ideais para promover fases (quase) percoladas. Isto deve ser complementado por caracterização estrutural, microestrutural e elétrica adequada com o devido retorno entre desempenho e rotas de processamento. Identificar as condições primárias relativas à interação dos materiais, formação de fases e mecanismo de condução das espécies é o aspecto relevante a ser levantado. Na verdade, embora um dos procedimentos gerais seja relativamente conhecido, os resultados do processamento de impregnação são relativamente novos e pouco estudados. A adequação de todos os requisitos acima mencionados para obtenção de materiais com transporte iônico melhorado é o desafio deste projeto. Como atividade paralela, o projeto também inclui a exploração potencial de resultados de investigação com base no envolvimento crítico de dois consultores investigadores internacionais. A experiência deles no desenvolvimento de SOC será uma mais-valia para a obtenção de conhecimentos sobre as componentes tecnológicas e científicas.