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Os difratogramas de raios X dos filmes de LSM-SDC sobre o substrato de YSZ em diferentes percentagens em massa de etilcelulose (4, 8 e 10%) são apresentados na Figura 26. 20 40 60 80 0 200 400 600 800 1000 *LSM °YSZ +SDC + + + + * * * * + + + + + + + + * * * * ° ° ° ° ° ° ° * * * * + + + + * * * * ° ° ° ° + + + + * * * * * * * * ° ° ° ° + + + + * * * * ° ° ° ° + + + + * * * * d c b a Inte nsi da de (u .a) 2θ (graus) + °

Figura 26 - Difratogramas dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%.

A estrutura perovskita do LSM foi identificada por comparação com a ficha JCPDS n° 53-0058, sendo do tipo romboédrica. As fases SDC e YSZ foram determinadas utilizando as fichas JCPDS 75-0158 e 48-0224, tendo sido identificadas suas estruturas como sendo dos tipos cúbica e tetragonal, respectivamente.

As Figuras 27 a 30 apresentam o refinamento dos difratogramas dos filmes nas diferentes condições adotadas neste trabalho. A Tabela 9 mostra a quantificação das fases presentes nos filmes obtidas pelo método Rietveld.

20 40 60 80 0 100 200 300 * *LSM °YSZ +SDC + + * °° + * ° ° ° + * + * ° + * * °° + * ° + * b a Int en si dad e (u.a) 2θ (graus)

Figura 27 - Difratograma de raios X do filme à 0% de etilcelulose, a) Difratograma experimental; b) Difratograma teórico obtido pelo método de Rietveld.

20 40 60 80 0 100 200 300 400 + * + ° ° + * ° ° ° + * + * ° + * * * ° ° + * ° + * *LSM °YSZ +SDC b a Int ens idad e ( u. a) 2θ (graus)

Figura 28 - Difratograma de raios X do filme à 4% de etilcelulose, a) Difratograma experimental; b) Difratograma obtido pelo método de Rietveld.

20 40 60 80 0 100 200 300 400 + * + ° ° + * ° ° ° + * + * ° + * * ° ° + * ° + * *LSM °YSZ +SDC b a Int ens idad e ( u. a) 2θ (graus)

Figura 29 - Difratograma de raios X do filme à 8% de etilcelulose, a) Difratograma experimental; b) Difratograma teórico obtido pelo método de Rietveld.

20 40 60 80 0 100 200 300 + * + ° ° + * ° ° ° + * + * ° + * * * ° ° + * ° + * b a *LSM °YSZ +SDC Int ens idad e ( u. a) 2θ (graus)

Figura 30 - Difratograma de raios X do filme à 10% de etilcelulose, a) Difratograma experimental; b) Difratograma teórico obtido pelo método de Rietveld.

Tabela 9 - Quantificação das fases presentes nos filmes de LSM-SDC depositado no substrato de YSZ. Composição Fases (%) Etilcelulose 0% Etilcelulose 4% Etilcelulose 8% Etilcelulose 10% LSM 33,04 23,25 26,92 32,32 SDC 39,07 29,98 32,46 38,32 YSZ 27,89 46,77 40,62 29,36

Pelo refinamento dos difratogramas dos filmes é possível observar que as fases secundárias identificadas nos difratogramas dos pós de LSM 900 °C não aparecem nos filmes sinterizados a 1150 °C. Em uma temperatura de funcionamento da célula acima de 1200 °C levaria a formação de fases indesejáveis de La2Zr2O7 e SrZrO3. A existência dessas fases na interface entre o catodo e o eletrólito influencia no desempenho da célula, pois ocorre o aumento da resistividade do sistema em virtude da baixa condutividade em relação ao eletrodo e eletrólito, ou seja, essas fases bloqueiam o transporte de íons oxigênio nessas interfaces (25,46,47).

Também, através do refinamento de Rietveld, observa-se que a quantidade das fases de LSM e SDC distância-se das proporções experimentais (1:1).

A aplicação de um material com alta condutividade iônica como SDC, conforme a literatura, para a formação do catodo composto de LSM-SDC, acentua o desempenho eletroquímico do catodo. Uma grande vantagem da adição do componente de SDC é que a célula pode operar em temperaturas intermediárias (9,12).

A Tabela 10 mostra as percentagens de LSM e SDC nos filmes obtidos a partir dos dados apresentados na Tabela 9.

Tabela 10 - Quantidades de LSM e SDC presentes nos filmes. Composição Fases (%) Etilcelulose 0% Etilcelulose 4% Etilcelulose 8% Etilcelulose 10% LSM 45,82 43,68 45,34 45,75 SDC 54,18 56,32 54,66 54,25

As Figuras 31 e 32 mostram as micrografias, em diferentes ampliações, obtidas por MEV-FEG da morfologia de superfície dos filmes do catodo depositados com diferentes quantidades de etilcelulose nas suspensões.

Figura 31 - Micrografias obtidas por MEV-FEG da morfologia da superfície dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%, com ampliação de 2.000X.

Figura 32 - Micrografias obtidas por MEV-FEV da morfologia de superfície dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%, com ampliação de 10.000X.

Através dos resultados da morfologia de superfície dos filmes, verificou-se que a morfologia para 0% de etilcelulose difere das demais, já que os pós de LSM e SDC não foram submetidos à moagem para formação do catodo composto. Já nas outras condições, observa-se que as morfologias de superfície não diferem significativamente, mas obtém-se uma superfície do filme mais lisa com menos oscilações na espessura quando a quantidade de etilcelulose aumenta na suspensão. Estes resultados assemelham-se com aqueles relatados por YE e colaboradores (54).

Segundo YE e colaboradores, o aumento da quantidade de etilcelulose é restringido pelo fato de ocorrer craqueamentos na superfície das amostras quando a quantidade do formador de poros atinge o valor de 15% nas suspensões (54).

Figura 33 - Micrografias obtidas por MEV-FEG das estruturas porosas (morfologia de superfície) dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%, com ampliação de 50.000X.

A Figura 33a mostra a importância do processo de moagem na formação do catodo composto. A moagem reduz o tamanho médio de partículas dos pós- sintetizados. Por isso, observam-se partículas maiores para a condição de 0% de etilcelulose. Nas demais condições, o processo de moagem foi utilizado na formação do catodo composto que, posteriormente, foi submetido a diferentes quantidades do formador de poro.

Através dos resultados da Figura 33, é possível observar que os aglomerados e o tamanho de poros diminuem à medida que a quantidade de etilcelulose aumenta. Quando a suspensão contém 10% de etilcelulose, o filme possui uma superfície porosa elevada e uma estrutura dos poros uniforme.

As Figuras 34 e 35 apresentam as micrografias, em diferentes ampliações, obtidas por MEV das estruturas porosas dos filmes do catodo depositados com diferentes quantidades de etilcelulose nas suspensões.

Pelos resultados obtidos, observou-se que a morfologia de superfície não difere significativamente, pois os pós de LSM e SDC foram submetidos às mesmas condições experimentais (processo de moagem), na formação do catodo composto.

Figura 34 - Micrografias obtidas por MEV das estruturas porosas dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%, com ampliação de 5.000X.

Figura 35 - Micrografias obtidas por MEV das estruturas porosas dos filmes em diferentes quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 4%, c) 8%, d) 10%, com ampliação de 15.000X.

A Figura 36 mostra as imagens das seções transversais obtidas por MEV dos filmes de LSM-SDC nas quantidades de etilcelulose (0 e 10%) depositados sobre o substrato de YSZ. Observa-se que o filme do catodo composto (quantidade de 10% etilcelulose), de aproximadamente 10 m de espessura, apresenta poros uniformemente contínuos e é aderido ao substrado de YSZ, o que é importante do ponto de vista de medida de condutividade iônica do filme.

Figura 36 - Micrografias obtidas por MEV das seções transversais dos filmes nas quantidades de etilcelulose: a) 0%, b) 10%, com ampliação de 5.000X.

No processo spin coating, uma rotação de spin alta contribuiu para as suspensões serem depositadas mais rapidamente sobre o substrato, obstruindo a aglomeração de partículas, como também favoreceu uma distribuição uniforme de partículas nos filmes.

A utilização da etilcelulose foi importante para a obtenção de estruturas porosas. Valores baixos de quantidade de etilcelulose levam a formação de aglomerados mais facilmente por causa da redução da quantidade do agente formador de poro. A Figura 36a mostra a seção transversal do filme sem etilcelulose. Verifica-se que o filme é aderido ao substrato, mas apresenta poucos poros em sua microestrutura em relação ao filme mostrado na Figura 36b. Um outro fator que pode favorecer a aderência de mais partículas sobre o substrato no processo spin coating é o aumento da viscosidade. Uma maior quantidade de etilcelulose pode aumentar a viscosidade das suspensões.

As Figuras 37 e 38 mostram imagens de MFA em 2D e 3D das superfícies do substrato de YSZ e dos filmes em percentagens de etilcelulose de 4 e 10%. A Tabela 11 apresenta as medidas de rugosidades das superfícies destas amostras.

Figura 37 - Micrografias de força atômica da superfície das amostras em duas dimensões (2D): a) substrato YSZ, b) filmes de LSMSDC-etilcelulose 4%/YSZ,

Figura 38 - Micrografias de força atômica da superfície das amostras em três dimensões (3D):

a) substrato YSZ, b) filme de LSMSDC- etilcelulose 4%/YSZ, c) filme de LSMSDC- etilcelulose 10%/YSZ.

Tabela 11 - Rugosidades dos materiais analisados por MFA.

Materiais Rugosidade (nm) Substrato YSZ 39,752 Filme de LSMSDC- Etilcelulose 4%/YSZ 149,823 Filme de LSMSDC- Etilcelulose10%/YSZ 116,798

Os resultados da morfologia das amostras obtidos por microscopia de força atômica mostram a uniformidade dos filmes obtidos pela técnica de spin coating. A análise morfológica da superfície dos filmes realizada por MFA corrobora com aquela realizada por MEV. À medida que aumenta a quantidade de etilcelulose ( 4% a 10%) nas suspensões observa-se uma superfície mais lisa, ou seja, menor será a rugosidade dos filmes obtidos.

A obtenção de dados adequados ao refinamento pelo método de Rietveld, exige cuidados na escolha do material, que envolve alguns fatores, por exemplo, o material deve ter tamanho de partículas pequeno (<10 m), a amostra deve ser preparada de modo que a superfície seja a mais plana (lisa) possível e homogênea, para evitar o efeito de rugosidade superficial. A rugosidade superficial é um efeito que altera as intensidades dos picos de difração, reduzindo significativamente as intensidades obtidas em ângulos baixos (76).

A técnica de deposição deve apresentar características como a capacidade de recobrir superfícies com composição e espessuras uniformes (61). Os resultados de uma superfície menos rugosa mostram que a técnica de deposição foi efetiva na obtenção de filmes uniformes.

5 CONCLUSÕES

Os resultados obtidos neste trabalho permitiram formular as seguintes conclusões:

As análises de fluorescência de raios x mostraram que o método utilizado para a obtenção de pós foi eficaz na obtenção das composições de LSM e SDC, com valores próximos aos estequiométricos.

O método de síntese adotado proporcionou a formação de fases cristalinas a temperaturas menores, a obtenção de pós-homogêneos e partículas nanométricas. Através dos difratogramas dos pós de LSM, detectou-se a presença de fases secundárias, mas que posteriormente foram eliminadas a temperaturas maiores (sinterização dos filmes a 1150 °C). O pó de SDC apresentou-se monofásico, o que é um indicativo que estes materiais apresentam características para sua utilização como sistemas catodo composto/eletrólito para SOFCs.

A gelatina é um direcionador eficiente para ser utilizado na síntese de pós de LSM e SDC, uma vez que é um material de baixo custo, não-tóxico e torna mais simples as sínteses Pechini.

As micrografias dos pós de LSM permitiram observar que os pós de LSM apresentam distribuição de partículas e estruturas porosas uniformes com tamanho de partículas inferior a 0,1 μm compatível com o valor obtido através do cálculo de tamanho de partícula (DBET). Porém, para o pó de SDC foi evidenciada a presença de aglomerados.

Os processos de moagem e desaglomeração subseqüentes às etapas de calcinação dos pós foram importantes para a redução do tamanho de partículas e redução ou ainda eliminação de aglomerados. Este controle é fundamental quando se prepara suspensões cerâmicas para aplicação em forma de filmes finos.

Os filmes com suspensões de LSM–SDC sob diferentes quantidades de etilceluose depositadas sobre o substrato de YSZ, foram sinterizados a 1150 °C com o intuito de obter filmes isentos de fases secundárias indesejáveis de La2Zr2O7 e SrZrO3 na sua interface (eletrodo/eletrólito), as quais influenciariam no desempenho

eletroquímico da célula, pois ocorreria um aumento na resistividade do sistema por causa da baixa condutividade em relação ao eletrodo e eletrólito.

O método de Rietveld foi aplicado para o refinamento de estruturas e análise quantitativa de fases. Os valores obtidos pelo método de Rietveld para os pós de LSM e SDC nos filmes distanciam-se dos valores esperados para cada um destes componentes. O método é preciso na determinação das fases presentes nos pós precursores e nos filmes obtidos.

A microestrutura é um fator fundamental para o alto desempenho dos filmes catódicos. A utilização do formador de poro, etilcelulose, teve uma importante contribuição para as estruturas porosas dos filmes. Através das morfologias de superfície dos filmes pôde-se observar uma superfície mais lisa, à medida que aumentava-se a quantidade de etilcelulose nas suspensões. Os dados de rugosidades obtidos pelas análises de microscopia de força atômica confirmam tal observação.

Uma maior quantidade de etilcelulose, correspondendo a 10% no presente trabalho, favoreceu a uma estrutura de poros uniformes e o aumento da viscosidade da suspensão fazendo com que mais partículas ficassem aderidas sobre substrato no processo spin coating. Uma rotação de spin alta contribuiu na distribuição uniforme das partículas. Portanto, o método spin coating mostrou-se adequado para a deposição do catodo composto (LSM-SDC) sobre o eletrólito (YSZ), obtendo um filme com espessura adequada para o uso em SOFC. Através desta técnica foi possível obter um filme do catodo composto, de aproximadamente 10 μm de espessura, apresentando poros uniformemente contínuos, e aderido ao substrato de YSZ, o que é importante do ponto de vista de medida de condutividade iônica do filme.

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