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

• Miguel Ángel Morales-Zapata ^[1] ; Ángel Larrea ^[1] ; Miguel Ángel Laguna-Bercero ^[1]
  1. [1] Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón

     Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón

     Zaragoza, España

     
• Localización: Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, ISSN 0366-3175, Vol. 64, Nº. 2, 2025, págs. 138-149
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Ceria dopada con praseodimio y gadolinio como electrodo de oxígeno para aplicaciones en pilas de óxido sólido
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    En este estudio se analizan las propiedades estructurales y electroquímicas de composites formados por la reacción de sinterización de Pr2NiO4+ (PNO) y Ce0.9Gd0.1O2- (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 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.

  • English

    This study analyzes the structural and electrochemical properties of praseodymium- and gadolinium-doped ceria (CPGO) samples formed by the sintering reaction of Pr2NiO4+ı (PNO) and Ce0.9Gd0.1O2−ı (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 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.