Produção e caracterização de membranas nanoestruturadas eletrofiadas de Ce0.9Gd0.1O1.95 com/sem CuO para aplicações eletroquímicas

Abstract

Esta tese tem por objetivo investigar a síntese por electrospinnig de nanofibras de Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) para formar membranas livres de suporte, sem e com adição de óxido de cobre ao CGO, e sua caracterização para aplicações em dispositivos eletroquímicos. Para a síntese das nanofibras de CGO, foram utilizados nitratos hexahidratados de cério e de gadolínio. Como agente estruturante das fibras no processo de electrospinning, foi utilizada a polivinilpirrolidona. Após a síntese, as nanofibras de CGO foram tratadas termicamente ao ar a 500, 600, 700, 800 e 900 °C, a fim de remover o agente polimérico e formar a fase cerâmica desejada. Como resultado, constatou-se um crescimento gradual do grão de estruturas policristalinas densamente compactadas para estruturas semelhantes a um colar de pérolas em função do aumento da temperatura de tratamento térmico. Essa evolução é acompanhada de fragilidade para amostras tratadas em temperaturas acima de 800 °C. A caracterização eletroquímica por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) das membranas espessas (100μm) e porosas, formadas pelas nanofibras de CGO sugere tanto uma condutividade percolativa iônica pela rede cristalina ao longo das nanofibras individuais, quanto à condução através de intersecções entre nanofibras individuais. As membranas otimizadas tratadas a 600 e 700 °C exibem uma resposta eletroquímica bulk semelhante, mas um comportamento eletroquímico interfacial diferente (baixa frequência), associado a um efeito de tamanho de grão. Nanofibras com 10% do elemento cobre em relação ao elemento cério, resultaram em nanofibras policristalinas de CGO decoradas com partículas de CuO, caracterizandose como heteroestruturas fixadas às nanofibras. Tais sistemas são relatados na literatura com potencial de aplicação como eletrodos na conversão de gases NOx de combustão.

This thesis aims to investigate the electrospinnig synthesis of Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) nanofibers to form support free membranes, without and with copper oxide addition to CGO, and their characterization for applications in electrochemical devices. For the synthesis of CGO nanofibers, cerium and gadolinium hexahydrate nitrates were used. As a structuring agent for the fibers in the electrospinning process, polyvinylpyrrolidone was used. After synthesis, the CGO nanofibers were heat treated in air at 500, 600, 700, 800 and 900 °C, in order to remove the polymeric agent and form the desired ceramic phase. As a result, there was a gradual growth of the grain from densely compacted polycrystalline structures to pearl necklace-like structures due to the increase in heat treatment temperatures. This evolution is accompanied of brittleness for samples treated at temperatures above 800 °C. The electrochemical characterization by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of the thick (100μm) and porous membranes, formed by CGO nanofibers suggests an ionic percolative conductivity through the crystalline network along the individual nanofibers, and a conduction through intersections between individual nanofibers. Optimized membranes treated at 600 and 700 °C exhibit a similar electrochemical bulk response, but different interfacial electrochemical behavior (low frequency), associated with a grain size effect. Nanofibers with 10% of the copper element in relation to the cerium element, resulted in CGO polycrystalline nanofibers decorated with CuO particles, characterized as heterostructures attached to the nanofibers. Such systems are reported in the literature with potential for application as electrodes in the conversion of NOx flue gases.