Estudo das rotas de síntese, métodos de sinterização e diferentes dopantes na produção de perovskitas BaCe0,2Zr0,7M0,1O3-ẟ (M=Y, Gd,Sm, Yb), para células a combustível

dc.contributor.advisor-co1Gelfuso, Maria Virginia
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1931804914096511pt_BR
dc.contributor.advisor1Chinelatto, Adriana Scoton Antonio
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9180718046391058pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca1Universitat Politècnica de València (UPV)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca2Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca3Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)pt_BR
dc.contributor.instituicao-banca4Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)pt_BR
dc.contributor.referee1Tomás, Maria Amparo Borrell
dc.contributor.referee2Sousa, Vânia Caldas de
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/0565334367700450pt_BR
dc.contributor.referee3Wendler, Leonardo Pacheco
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/7094050586166841pt_BR
dc.contributor.referee4Pianaro, Sidnei Antonio
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/0351658283986781pt_BR
dc.creatorHagy, Lidyanne da Silva
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5880079488097331pt_BR
dc.date.accessioned2025-09-03T17:39:20Z
dc.date.accessioned2026-06-29T14:34:31Z
dc.date.available2025-09-03T00:00:00Z
dc.date.available2025-09-03T17:39:20Z
dc.date.issued2025-08-26
dc.description.abstractFuel cells are composed of two electrodes separated by an electrolyte and generate electrical energy from renewable sources. Among the various types, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) operate with a dense solid ceramic electrolyte and present the highest operating temperature. A promising strategy to reduce this temperature is the use of proton-conducting ceramics, such as barium cerate and barium zirconate-based perovskites. However, these materials require high sintering temperatures and long processing times. To enhance their sinterability, approaches such as the addition of sintering aids and the use of non-conventional sintering techniques, like reactive sintering and microwave-assisted sintering can be applied. This work investigates the perovskite phase formation and electrical performance of BaCe0,2Zr0,7M0,1O3-δ (BCZM, M = dopant)-based ceramics, prepared via solid-state reaction (SSR) and solid-state reactive sintering (SSRS), using both conventional and microwave-assisted sintering. The effects of Sm, Gd, Y, and Yb dopants, as well as the sintering additive ZnO (2 mol%), were investigated. In the case of the SSRS route, parameters such as heating rate, mixing time, and sintering dwell time were evaluated. Perovskite formation was influenced by the electronic properties of the dopants, with increasing reactivity following the order: Yb < Y < Gd < Sm. ZnO proved essential for densification in both SSR and SSRS routes, with emphasis on microwave sintering, which enabled high densification (>95%) in only 30 minutes and mitigated barium losses due to volatilization. In the case of reactive sintering, only the Sm-doped samples achieved apparent porosity below 5%. Among the SSRS, the Sm-doped samples sintered via microwave exhibited the highest total conductivity (~1.00 mS/cm), while the SSR sample doped with Gd, without ZnO, achieved the best overall electrical performance (2.20 mS/cm), contradicting expectations based on proton trapping and electronegativity. Moreover, microwave sintering promoted a distinct contribution of grain boundary conductivity, reducing the activation energy for conduction. Overall, the results indicate that the combination of the SSRS route, microwave sintering, and suitable dopants enable the production of dense conductive ceramic electrolytes with significant processing time savings (> 35h), without compromising microstructural and transport properties.pt_BR
dc.description.resumoAs células a combustível são formadas por dois eletrodos separados por um eletrólito e produzem energia elétrica através de fontes renováveis. Dentre os tipos de células a combustível estão as Células a Combustível de Óxido Sólido (CaCOS), as quais operam com um eletrólito cerâmico sólido denso e cuja temperatura de operação é a mais alta em relação aos demais tipos. Uma rota promissora para a redução da temperatura de operação desse tipo de célula a combustível é a utilização de cerâmicas com condução protônica, como as perovskitas à base de cerato de bário e zirconato de bário, que, entretanto, demandam longos tempos e altas temperaturas de sinterização. Para aprimorar a sinterabilidade dessas cerâmicas, recursos que podem ser utilizados são a adição de óxidos que atuam como auxiliares de sinterização e métodos de sinterização não convencionais, como a sinterização reativa e sinterização por micro-ondas. Neste trabalho, investigou-se a formação da fase perovskita e o desempenho elétrico de cerâmicas à base de BaCe0,2Zr0,7M0,1O3 - δ (BCZM, M = dopante), preparadas pela rota de síntese por reação no estado sólido (SSR) e pela sinterização reativa (SSRS), utilizando sinterização convencional e assistida por micro-ondas. Foram investigados os efeitos dos dopantes Sm, Gd, Y e Yb, do aditivo de sinterização ZnO (2%mol), e no caso da rota SSRS, parâmetros como taxa de aquecimento, tempo de mistura e patamar de sinterização também foram avaliados. A formação da perovskita foi influenciada pelas propriedades eletrônicas dos dopantes, com tendência crescente de reatividade: Yb < Y < Gd < Sm. O ZnO foi essencial para a densificação nas rotas SSR e SSRS, com destaque para a sinterização por micro-ondas, que possibilitou alta densificação (>95%) em apenas 30 minutos e mitigou perdas de bário por volatilização. Na sinterização reativa, apenas as amostras dopadas com Sm obtiveram porosidade aparente inferior a 5%. Entre as SSRS, as amostras dopadas com Sm e sinterizadas por micro-ondas apresentaram a maior condutividade total (~1,00 mS/cm), enquanto a amostra SSR dopada com Gd, sem uso do ZnO, alcançou o melhor desempenho elétrico geral (2,20 mS/cm), contrariando expectativas baseadas no aprisionamento de prótons e na eletronegatividade. Observou-se ainda que a sinterização por micro-ondas promoveu diferente contribuição da condutividade de contorno de grão, reduzindo a energia de ativação para a condução. De forma geral, os resultados indicam que a combinação de rota SSRS, sinterização por micro-ondas e dopantes apropriados permite a obtenção de eletrólitos cerâmicos densos e condutivos com significativa economia de tempo de processamento (>35h), sem comprometer as propriedades microestruturais e de transporte.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorpt_BR
dc.identifier.citationHAGY, Lidyanne da Silva. Estudo das rotas de síntese, métodos de sinterização e diferentes dopantes na produção de perovskitas BaCe0,2Zr0,7M0,1O3-ẟ (M=Y, Gd,Sm, Yb), para células a combustível. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grosssa, Ponta Grossa, 2025.pt_BR
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/2333
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentSetor de Ciências Exatas e Naturaispt_BR
dc.publisher.initialsUEPGpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiaispt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectSinterização reativapt_BR
dc.subjectSinterização por micro-ondaspt_BR
dc.subjectDopantespt_BR
dc.subjectCélulas a combustívelpt_BR
dc.subject.cnpqEngenhariapt_BR
dc.titleEstudo das rotas de síntese, métodos de sinterização e diferentes dopantes na produção de perovskitas BaCe0,2Zr0,7M0,1O3-ẟ (M=Y, Gd,Sm, Yb), para células a combustívelpt_BR
dc.typeTesept_BR

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