Obtenção de fibras de La0,6Sr0,4Co1-yFeyO3 pela técnica de electrospinning e sua caracterização para aplicação como cátodo em células a combustível

Abstract

Neste trabalho, investigou-se a obtenção de fibras de La0,6Sr0,4Co1-yFeyO3 pela técnica de electrospinning e sua caracterização visando a sua aplicação como cátodo em células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (SOFC-IT). Foram obtidos 5 compostos perovskitas LaxSr1-xCo1-yFeyO3 (LSCF) variando-se a quantidade de cobalto na composição (La0,6Sr0,4Co1-yFeyO3, sendo y = 1,0; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2). As fibras LSCF, após tratamento térmico de 1000 ºC, apresentaram diâmetro médio em torno de 1 μm e estrutura perovskita com simetria romboédrica, com exceção do composto La0,6Sr0,4FeO3, que apresentou estrutura ortorrômbica. Foram avaliadas as propriedades elétricas das fibras sem compactação, compactada e sinterizada no intervalo de temperatura de 25-900 ºC. A condutividade elétrica das fibras LSCF aumentou com a compactação e sinterização das fibras e com o aumento do conteúdo de cobalto. As fibras sem compactação apresentaram valores de condutividade elétrica entre 0,23 S.cm-1 para La0,6Sr0,4FeO3 (LSF) à 0,43 S.cm-1 para La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3 (LSCF82) a 600 °C. Nas fibras compactadas os valores de condutividade elétrica aumentaram de 0,90 S.cm-1 para LSF à 9,06 S.cm-1 para LSCF82 a 600 °C. As fibras sinterizadas apresentaram os maiores valores de condutividade elétrica, 71 S.cm-1 para LSF e 832 S.cm-1 para LSCF82 em 600 ºC. A avaliação do desempenho eletroquímico das fibras LSCF como cátodo foi estudada por espectroscopia de impedância em células simétricas, contendo o eletrólito de céria dopada com gadolínio (CGO) e cátodos LSCF infiltrados com CGO. As medidas de impedância mostraram que os diagramas de Nyquist são compostos de dois a três semicírculos, dependendo da temperatura da medida. Os cátodos LSCF com maior conteúdo de cobalto apresentaram menor resistência de polarização. O cátodo La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3 apresentou a menor resistência de polarização entre 500 e 900 °C, classificando este cátodo compósito como um promissor material para SOFC de temperatura intermediária baseado em eletrólito CGO.

In this work, the preparation of La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3 fibers by electrospinning and its characterization was investigated aiming the production of cathodes for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell (SOFC-IT). Five compounds of the family LaxSr1-xCo1-yFeyO3 (LSCF) were obtained varying the cobalt content (La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3, where y = 1.0; 0.8; 0.6; 0.4; 0.2). The electrospun La0.6Sr0.4Co1-yFeyO3 (y=0.2-1.0) fibers resulted in an average diameter of about 1 μm and perovskite crystalline structure with rhombohedral symmetry after heat treatment at 1000 °C, except for La0.6Sr0.4FeO3 that crystallized in an orthorhombic structure. The electrical properties of the fibers in the non-compacted, compacted and sintered forms were investigated in the temperature range of 25-900 °C. The electrical conductivity of LSCF fibers increases with the compaction and sintering of the fibers and with the increase of cobalt content. The non-compacted fibers showed electrical conductivities ranging from 0.23 S.cm-1 for La0.6Sr0.4FeO3 (LSF) up to 0.43 S.cm-1 for La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3 (LSCF82) at 600 °C. The electrical conductivity increased in compacted fiber samples to 0.90 S.cm-1 for LSF and to 9.06 S.cm-1 for LSCF82 at 600 °C. The sintered fibers showed the highest electrical conductivity for all samples, 71 S.cm-1 for LSF and 832 S.cm-1 for LSCF82 at 600 ºC. The electrochemical performance of LSCF fibers as cathode was studied by impedance spectroscopy in symmetrical cells containing gadolinium doped ceria (CGO) electrolyte and LSCF cathode infiltrated with CGO. Impedance measurements showed that the Nyquist diagrams have two or three semicircles, depending on the measurement temperature. The LSCF cathodes with higher cobalt content exhibit lower polarization resistance and the La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3 cathode had the lowest polarization resistance between 500 and 900 °C, classifying this composite cathode as a promising material for intermediate temperature SOFC based on CGO electrolyte.