Praseodymium and gadolinium doped ceria as oxygen electrode for solid oxide cell applications

Morales-Zapata, Miguel Ángel ; Larrea, Ángel ; Laguna-Bercero, Miguel Ángel

Resumen: his study analyzes the structural and electrochemical properties of praseodymium- and gadolinium-doped ceria (CPGO) samples formed by the sintering reaction of Pr2NiO4+δ (PNO) and Ce0.9Gd0.1O2−δ (GDC). X-ray powder diffraction analysis confirmed a single-phase cubic CPGO structure as a primary phase. The cationic compositions were determined using energy dispersive spectroscopy (EDS) in a scanning transmission electron microscope (STEM), while core-loss electron energy-loss spectroscopy (EELS) was used to determine the valence of Ce and Pr. The compatibility between thermal expansion coefficients validated their integration with electrolytes at the typical Solid Oxide Cell (SOC) operation temperatures. Oxygen chemical diffusion and surface exchange coefficients were investigated using the electrical conductivity relaxation (ECR) method at intervals of partial oxygen pressures between 0.10 and 0.21 atm and 600 °C and 800 °C. Finally, the samples were tested in symmetrical cells by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) between 700 °C and 850 °C. A polarization resistance of 0.17 Ω cm2 at 850 °C was obtained for CPGO air electrodes formed by sintering a mixture of 80% by weight of GDC and 20% by weight of PNO. These findings confirm that PNO–GDC mixtures forming CPGO oxides are excellent candidates for SOC applications.

En este estudio se analizan las propiedades estructurales y electroquímicas de composites formados por la reacción de sinterización de Pr2NiO4+δ (PNO) y Ce0.9Gd0.1O2-δ (GDC). Los refinamientos de Rietveld de los patrones de difracción de rayos X confirmaron una estructura cúbica monofásica de ceria dopada con praseodimio y gadolinio (CPGO) como fase primaria. Las composiciones catiónicas de CPGO se determinaron mediante espectroscopia de dispersión de energía (EDS) en un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM), mientras que se utilizó espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) para determinar la valencia de Ce y Pr. La compatibilidad entre coeficientes de expansión térmica validó la integración de los electrodos con electrolitos a las temperaturas de operación típicas de las pilas de óxido sólido (SOC). Los coeficientes de difusión química de oxígeno y de intercambio superficial se determinaron mediante relajación de la conductividad eléctrica (ECR). Finalmente, se caracterizaron celdas simétricas mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), obteniendo una baja resistencia de polarización de 0.17 Ω cm2 a 850 °C para electrodos de aire compuestos por 80% de GDC y 20% de PNO en peso. Estos hallazgos confirman que los electrodos de CPGO son excelentes candidatos para aplicaciones SOC.

Idioma: Inglés

DOI: 10.1016/j.bsecv.2025.03.003

Año: 2025

Publicado en: Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio 64, 2 (2025), 138-149
ISSN: 0366-3175

Financiación: info:eu-repo/grantAgreement/ES/DGA/T02-23R
Financiación: info:eu-repo/grantAgreement/ES/AEI/MICNN/PID2022-137626OB-C31

Tipo y forma: Artículo (Versión definitiva)