Condutividade elétrica de CeO2-10 mol% Gd2O3 - x mol% Sm2O3 (0 < x < 2)

Abstract

INTRODUÇÃOCerâmicas a base de céria têm recebido destaque no desenvolvimento de eletrólitos sólidos cerâmicos devido sua elevada condutividade iônica, de ~ 10 -2 S.cm -1 na faixa de temperatura 500-600 °C. Zircônia estabilizada com itria, comumente utilizada nas mesmas aplicações, atinge condutividade similar apenas em temperaturas entre 800 e 1000 °C. A elevada condutividade iônica da céria dopada com terras raras é atribuída à estrutura cristalina tipo fluorita relativamente aberta, o que garante alta mobilidade aos íons oxigênio. Além disso, a céria suporta elevada redução do Ce 4+ para Ce 3+, o que ocorre em baixas pressões parciais de oxigênio ou em altas temperaturas, e suporta também elevado teor de dopante trivalente podendo chegar até 40 mol%, sem mudança de fase [1][2][3]. Portanto, céria pura é um condutor misto, sendo a condução eletrônica decorrente da redução do Ce 4+ e a condução iônica devido à mobilidade das vacâncias de oxigênio criadas na rede para garantir a neutralidade elétrica durante o processo de redução. Porém, céria dopada com terras raras (TR) em pressão parcial de oxigênio até ~ 10 -16 atm é um condutor predominante iônico devido às vacâncias de oxigênio (V O •• ) criadas para manter a neutralidade elétrica da estrutura após a substituição de íons Ce 4+ por TR 3+. A equação A mostra a criação de vacâncias, sob a notação de Kroeger e Vink, no caso da dopagem com gadolínia [2,4,5].A criação dos defeitos estruturais devido à dopagem pode promover aumento da energia potencial elástica e eletrostática na rede cristalina, em função da deformação elástica e da diferença de carga elétrica dos defeitos. A associação de defeitos pode ocorrer para a redução dessa energia potencial, contudo resulta na diminuição da condutividade elétrica, pois reduz a quantidade de vacâncias disponíveis para condução bem como a mobilidade. As equações B e C mostram as associações duplas e triplas dos defeitos, porém também é possível que as vacâncias de oxigênio associemse em longo alcance promovendo aglomerados resultando em forte diminuição da condutividade elétrica [2,5,6].