Cobaltita de bário (Ba2Co9O14): caracterização estrutural e performance eletroquímica para reação de evolução de oxigênio e cerâmicas protônicas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lapenda Filho, Antonio Carlos
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/32126
Resumo: Energy generation can be better utilized when energy efficiency and lower environmental risk are combined, especially in areas where the use of petroleum derivatives is present. Studies in the area of electrochemistry help in the development of devices such as low-cost, high-performance catalysts, which are essential for electrochemical applications, such as “water splitting” (WS) and fuel cells. In this work, the plate-type compound Ba2Co9O14 (BCO) was synthesized using the solid state reaction method and its potential as an electrocatalyst for the oxygen evolution reaction (OER) and as an electrode for proton ceramic cells was evaluated. (PCC). Regarding OER, the BCO obtained exhibited an overpotential of 366 mV at 10 mA/cm² and a Tafel slope of 67 mV/dec, a result superior to those reported for most materials based on cobaltite. The parameters of double layer capacitance (Cdl), electrochemically active surface area (ECSA) and specific activity (SA), which reflect the performance of the BCO, were determined to be 4.98 mF/cm²; 124.5 cm² and 3.58 mA/cm², respectively. Regarding proton-conducting ceramics, BCO is used for the first time as an electrocatalyst for oxygen reactions in PCCs in contact with an electrolyte BaZr0.852Y0.148O3-δ (BZY15) + 4 mols% ZnO (as sintering agent ). The BCO exhibits electrochemical performance comparable to current state-of-the-art oxygen electrode under humid conditions (PH2O ~ 10-2 atm), and also demonstrates excellent chemical compatibility with the BZY15 electrolyte. Due to the plate-like morphology of the BCO electrode grain and considering its weak bulk ionic conduction, the surface diffusion process becomes highly important in explaining the high-performance electrochemical behavior, in addition, the analysis of impedance spectroscopy data shows electronic leakage within the electrolytic substrate, but to solve this problem a data correction is applied, revealing that the electrode kinetics are strongly limited by the diffusion of oxygen on the surface of the BCO grains towards the triple phase boundary, where the proton transfer, releasing water. In contrast, the oxygen adsorption and/or dissociation steps are facilitated given the predominantly electronic character of the BCO material, which is suggested to originate from a small polaron jump between the Co3+/Co2+ pairs.
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(PCC). Regarding OER, the BCO obtained exhibited an overpotential of 366 mV at 10 mA/cm² and a Tafel slope of 67 mV/dec, a result superior to those reported for most materials based on cobaltite. The parameters of double layer capacitance (Cdl), electrochemically active surface area (ECSA) and specific activity (SA), which reflect the performance of the BCO, were determined to be 4.98 mF/cm²; 124.5 cm² and 3.58 mA/cm², respectively. Regarding proton-conducting ceramics, BCO is used for the first time as an electrocatalyst for oxygen reactions in PCCs in contact with an electrolyte BaZr0.852Y0.148O3-δ (BZY15) + 4 mols% ZnO (as sintering agent ). The BCO exhibits electrochemical performance comparable to current state-of-the-art oxygen electrode under humid conditions (PH2O ~ 10-2 atm), and also demonstrates excellent chemical compatibility with the BZY15 electrolyte. Due to the plate-like morphology of the BCO electrode grain and considering its weak bulk ionic conduction, the surface diffusion process becomes highly important in explaining the high-performance electrochemical behavior, in addition, the analysis of impedance spectroscopy data shows electronic leakage within the electrolytic substrate, but to solve this problem a data correction is applied, revealing that the electrode kinetics are strongly limited by the diffusion of oxygen on the surface of the BCO grains towards the triple phase boundary, where the proton transfer, releasing water. In contrast, the oxygen adsorption and/or dissociation steps are facilitated given the predominantly electronic character of the BCO material, which is suggested to originate from a small polaron jump between the Co3+/Co2+ pairs.NenhumaA geração de energia pode ser melhor aproveitada quando se une eficiência energética e menor risco ambiental, principalmente nas áreas onde o uso de derivados do petróleo se fazem presentes. Estudos na área da eletroquímica, ajudam no desenvolvimento de dispositivos como catalisadores de baixo custo e alta performance, que são essenciais para aplicações eletroquímicas, como “water splitting” (WS) e células combustíveis. Neste Trabalho, foi sintetizado o composto Ba2Co9O14 (BCO) do tipo placa, através do método de reação do estado sólido e foi avaliado seu potencial como um eletro catalisador para a reação de evolução de oxigênio (OER) e como eletrodo para células de cerâmica protônica (PCC). Com relação a OER, o BCO obtido exibiu um sobre potencial de 366 mV a 10 mA/cm² e uma inclinação de Tafel de 67 mV/dec, um resultado superior aqueles reportados para a maioria dos materiais baseados em cobaltitas. Os parâmetros de capacitância de dupla camada (Cdl), área de superfície eletroquimicamente ativa (ECSA) e atividade específica (SA), que refletem a performance do BCO, foram determinadas como sendo 4,98 mF/cm²; 124,5 cm² e 3,58 mA/cm², respectivamente. Já com relação as cerâmicas condutoras de prótons, o BCO é empregado pela primeira vez como eletrocatalisador para reações de oxigênio em PCCs em contato com um eletrólito BaZr0,852Y0,148O3-δ (BZY15) + 4 mols% de ZnO (como agente de sinterização). O BCO apresenta desempenho eletroquímico comparável ao atual eletrodo de oxigênio de última geração sob condições úmidas (PH2O ~ 10-2 atm), além disso demonstra excelente compatibilidade química com o eletrólito BZY15. Devido a morfologia semelhante a placas do grão do eletrodo BCO e considerando sua fraca condução iônica em massa, o processo de difusão superficial torna-se altamente importante na explicação do comportamento eletroquímico de alto desempenho, além disso, a análise dos dados da espectroscopia de impedância mostra o vazamento eletrônico dentro do substrato eletrolítico, porém para resolver este problema é aplicada uma correção de dados, revelando que a cinética do eletrodo é fortemente limitada pela difusão de oxigênio na superfície dos grãos BCO em direção ao limite da fase tripla, onde ocorre a transferência de prótons, liberando água. Em contraste, as etapas de adsorção e/ou dissociações de oxigênio são facilitadas dado o caráter predominantemente eletrônico do material BCO, que é sugerido como originário de um pequeno salto polaron entre os pares Co3+/Co2+.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia de MateriaisPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisUFPBMacedo, Daniel Araújo dehttp://lattes.cnpq.br/1027496814443777Raimundo, Rafael AlexandreLattes não recuperado em 11/10/2024Lapenda Filho, Antonio Carlos2024-10-11T10:43:18Z2024-03-052024-10-11T10:43:18Z2023-12-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/32126porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-10-12T07:21:20Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/32126Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2024-10-12T07:21:20Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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description Energy generation can be better utilized when energy efficiency and lower environmental risk are combined, especially in areas where the use of petroleum derivatives is present. Studies in the area of electrochemistry help in the development of devices such as low-cost, high-performance catalysts, which are essential for electrochemical applications, such as “water splitting” (WS) and fuel cells. In this work, the plate-type compound Ba2Co9O14 (BCO) was synthesized using the solid state reaction method and its potential as an electrocatalyst for the oxygen evolution reaction (OER) and as an electrode for proton ceramic cells was evaluated. (PCC). Regarding OER, the BCO obtained exhibited an overpotential of 366 mV at 10 mA/cm² and a Tafel slope of 67 mV/dec, a result superior to those reported for most materials based on cobaltite. The parameters of double layer capacitance (Cdl), electrochemically active surface area (ECSA) and specific activity (SA), which reflect the performance of the BCO, were determined to be 4.98 mF/cm²; 124.5 cm² and 3.58 mA/cm², respectively. Regarding proton-conducting ceramics, BCO is used for the first time as an electrocatalyst for oxygen reactions in PCCs in contact with an electrolyte BaZr0.852Y0.148O3-δ (BZY15) + 4 mols% ZnO (as sintering agent ). The BCO exhibits electrochemical performance comparable to current state-of-the-art oxygen electrode under humid conditions (PH2O ~ 10-2 atm), and also demonstrates excellent chemical compatibility with the BZY15 electrolyte. Due to the plate-like morphology of the BCO electrode grain and considering its weak bulk ionic conduction, the surface diffusion process becomes highly important in explaining the high-performance electrochemical behavior, in addition, the analysis of impedance spectroscopy data shows electronic leakage within the electrolytic substrate, but to solve this problem a data correction is applied, revealing that the electrode kinetics are strongly limited by the diffusion of oxygen on the surface of the BCO grains towards the triple phase boundary, where the proton transfer, releasing water. In contrast, the oxygen adsorption and/or dissociation steps are facilitated given the predominantly electronic character of the BCO material, which is suggested to originate from a small polaron jump between the Co3+/Co2+ pairs.
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