Study of cobalt-free composite oxygen electrodes for solid oxide cells
dc.contributor.advisor | Paskocimas, Carlos Alberto | |
dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0002-1915-4291 | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/2365059843175411 | pt_BR |
dc.contributor.author | Farias, Morena Brito de | |
dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0003-4597-9622 | pt_BR |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/0200622158109138 | pt_BR |
dc.contributor.referees1 | Graça, Vanessa Cristina Diniz da | |
dc.contributor.referees2 | Araújo, Allan Jedson Menezes de | |
dc.contributor.referees3 | Macedo, Daniel Araújo de | |
dc.contributor.referees4 | Fonseca, Fábio Coral | |
dc.contributor.referees5 | Loureiro, Francisco José Almeida | |
dc.contributor.referees6 | Nascimento, Rubens Maribondo do | |
dc.date.accessioned | 2024-11-12T20:46:19Z | |
dc.date.issued | 2024-09-20 | |
dc.description.abstract | Solid oxide cells are energy conversion devices that can operate in two modes: as fuel cells to produce electricity from hydrogen, and as electrolysis cells to generate hydrogen from electricity. In these devices, the oxygen electrode often faces challenges, such as slow reaction kinetics or interfacial degradation, which can significantly impact overall cell performance and thus require careful optimization. Traditionally, materials containing cobalt are widely used as oxygen electrodes due to their excellent kinetics for reactions with oxygen. However, one of the current challenges is to replace this critical element in energy applications due to concerns related to health, the environment, and limited geographic availability. In this thesis, the compounds Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ (SFM) and Lan+1NinO3n+1 (n = 1 and 3, LNO) are explored as cobalt-free oxygen electrodes, demonstrating excellent mixed ionicelectronic conduction properties. The electrodes were initially optimized through successive deposition of material layers onto the electrolyte substrate. This process not only optimized the electrode thickness but also improved the distribution of ionic current from the electrolyte into the electrode, resulting in a reduction in polarization resistance (Rpol). We suggest that the formation of a higher solid fraction of electrode material at the electrolyte interface may contribute to an improved ionic current extension into the bulk of the electrode. Consequently, the optimized electrodes achieved Rpol values of ~0.6 Ω cm2 for SFM, ~4.9 Ω cm2 for La2NiO4+δ (L2N1), and~12.9 Ω cm2 for La4Ni3O10-δ (L4N3) at 700 °C. Additionally, a new composite electrode of SFM with approximately 34 vol% of praseodymia-doped ceria (Ce0.8Pr0.2O2-δ) was developed, leading to improvements in incorporation kinetics. However, the overall performance of this composite electrode was compromised by insufficient electronic conductivity (Rpol ~7.3 Ω cm2 at 700 °C). For the LNO electrodes, impregnation with praseodymium oxide (~10 wt%) resulted in a reduction in polarization resistance by ~7 times for L2N1 (Rpol ~0.7 Ω cm2) and ~17 times (Rpol ~0.8 Ω cm2) for L4N3 at 700 °C. This significant improvement is attributed to the catalytically active PrOx sites, which enhance oxygen dissociation and charge transfer processes. Overall, this work provides critical insights into the microstructural and compositional criteria essential for the future development of high-performance cobalt-free oxygen electrodes, contributing to the advancement of more sustainable and efficient solid oxide cells. By facilitating the transition to cleaner energy sources and reducing reliance on cobalt, these developments can play a vital role in decreasing greenhouse gas emissions and mitigating the impacts of climate change, while also benefiting the environment and the health of individuals exposed to cobalt, ultimately supporting a more sustainable future for society. | pt_BR |
dc.description.embargo | 2025-10-21 | |
dc.description.resumo | As células de óxido sólido são dispositivos de conversão de energia que podem operar em dois modos: como células a combustível para produzir eletricidade a partir do hidrogênio e como células de eletrólise para gerar hidrogênio a partir da eletricidade. Nesses dispositivos, o eletrodo de oxigênio enfrenta frequentemente desafios, como cinética de reação lenta ou degradação interfacial, o que pode impactar significativamente o desempenho global da célula e, portanto, requer otimização cuidadosa. Tradicionalmente, materiais contendo cobalto são amplamente utilizados como eletrodos de oxigênio devido à sua excelente cinética para reações com oxigênio. No entanto, um dos desafios atuais é substituir esse elemento crítico em aplicações energéticas devido a preocupações relacionadas à saúde, ao meio ambiente e à disponibilidade geográfica limitada. Nesta tese, os compostos Sr2Fe1,5Mo0,5O6-δ (SFM) e Lan+1NinO3n+1 (n = 1 e 3, LNO) são explorados como eletrodos de oxigênio livres de cobalto, demonstrando excelentes propriedades de condução iônica-eletrônica mista. Os eletrodos foram inicialmente otimizados por deposição sucessiva de camadas de material sobre o substrato de eletrólito. Esse processo não apenas otimizou a espessura dos eletrodos, mas também melhorou a distribuição da corrente iônica do eletrólito para o eletrodo, resultando em uma redução da resistência à polarização (Rpol). Sugere-se que a formação de uma fração sólida maior do material do eletrodo na interface com o eletrólito possa contribuir para uma melhor extensão da corrente iônica no interior do eletrodo. Consequentemente, os eletrodos otimizados atingiram valores de Rpol de aproximadamente 0,6 Ω cm2 para SFM, 4,9 Ω cm2 para La2NiO4+δ (L2N1) e 12,9 Ω cm2 para La4Ni3O10-δ (L4N3) a 700 °C. Além disso, um novo eletrodo compósito de SFM com aproximadamente 34 % em volume de céria dopada com praseodímia (Ce0.8Pr0.2O2-δ) foi desenvolvido, levando a melhorias na cinética de incorporação. No entanto, o desempenho geral desse eletrodo compósito foi comprometido por insuficiente condutividade eletrônica (Rpol ~7,3 Ω cm2 a 700 °C). Para os eletrodos de LNO, impregnação com óxido de praseodímio (~10 % em peso) resultou em uma redução na resistência à polarização em cerca de 7 vezes para L2N1 (Rpol ~0,7 Ω cm2) e em cerca de 17 vezes (Rpol ~0,8 Ω cm2) para L4N3 a 700 °C. Essa melhoria significativa é atribuída aos sítios cataliticamente ativos de PrOx, que melhoram a dissociação de oxigênio e os processos de transferência de carga. No geral, este trabalho fornece insights críticos sobre os critérios microestruturais e composicionais essenciais para o futuro desenvolvimento de eletrodos de oxigênio de alto desempenho livres de cobalto, contribuindo para o avanço de células de óxido sólido mais sustentáveis e eficientes. Facilitando a transição para fontes de energia mais limpas e reduzindo a dependência do cobalto, esses desenvolvimentos podem desempenhar um papel vital na diminuição das emissões de gases de efeito estufa e na mitigação dos impactos das mudanças climáticas, além de beneficiar o meio ambiente e a saúde das pessoas expostas ao cobalto, apoiando, em última análise, um futuro mais sustentável para a sociedade. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | pt_BR |
dc.identifier.citation | FARIAS, Morena Brito de. Study of cobalt-free composite oxygen electrodes for solid oxide cells. Orientador: Dr. Carlos Alberto Paskocimas. 2024. 172f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60624 | |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS | pt_BR |
dc.rights | Acesso Embargado | pt_BR |
dc.subject | Célula de óxido sólido | pt_BR |
dc.subject | Eletrodo de oxigênio | pt_BR |
dc.subject | Espectroscopia de impedância eletroquímica | pt_BR |
dc.subject | Condutor misto iônico-eletrônico | pt_BR |
dc.subject | Perovskita dupla | pt_BR |
dc.subject | Fases Ruddlesden-Popper | pt_BR |
dc.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA | pt_BR |
dc.title | Study of cobalt-free composite oxygen electrodes for solid oxide cells | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |