Oxyde de cérium dopé au gadolinium
L'oxyde de cérium dopé au gadolinium, ou GDC, est une céramique de formule Gd:CeO2 constituée d'oxyde de cérium(IV) CeO2 dopé au gadolinium. Il se présente comme un solide cristallisé dans le système cubique avec une masse volumique de 7,2 g/cm3 sous forme oxydée[1]. C'est un matériau couramment utilisé comme électrolyte pour piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et certaines cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC). Il présente une conductivité ionique supérieure pour des températures de fonctionnement inférieures à celles des matériaux à base de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (YSZ) généralement utilisé comme électrolyte pour piles à combustible à oxyde solide. Fonctionnant à 700 °C quand le 8YSZ n'atteint une conductivité ionique optimale qu'entre 800 et 1 000 °C, le GDC présente un intérêt énergétique certain.
La conductivité ionique du GDC provient des lacunes d'oxygène introduites dans la structure cristalline du CeO2 par le dopage aux cations Gd3+, qui se substituent à des cations Ce4+ dans le réseau cristallin, introduisant une lacune d'anion oxyde O2− pour deux cations Gd3+ introduits. Ces lacunes se forment également par réduction du CeO2 par le monoxyde de carbone CO ou par l'hydrogène[1] H2. La concentration et la mobilité élevées des lacunes d'O2− sont responsables de la conductivité ionique élevée du GDC. Ce matériau présente de surcroît l'avantage par rapport aux électrolytes en 8YSZ d'être moins réactif et d'être chimiquement compatible avec de nombreux matériaux conducteurs pour cathodes[2]. En revanche, le 8YSZ présente une résistance mécanique supérieure et a moins tendance à être réduit en présence d'H2 ou de CO à haute température[1]. Les niveaux de dopage se situent généralement entre 10 et 20 % de gadolinium.
Le GDC a été produit par précipitation, synthèse hydrothermale (en), procédé sol-gel, dépôt chimique en phase vapeur (plus exactement, par spray pyrolysis technique, ou SPT[3]), combustion[4] voire nanocasting[5] à partir de précurseurs tels que le nitrate de cérium (en) Ce(NO3)3, le nitrate de cérium et d'ammonium (NH4)2Ce(NO3)6[6], l'oxalate de cérium (en) Ce2(C2O4)3, le carbonate de cérium(III) (en) Ce2(CO3)3 et l'hydroxyde de cérium(III) (en) Ce(OH)3[5]. Il peut être obtenu sous forme de poudre, d'encre, de disques et de nanomatériaux, tels que nanoparticules, nanocristaux, nanopoudres et nanofils[7].
Notes et références
- (en) S. P. S. Badwal, D. Fini, F. T. Ciacchi, C. Munnings, J. A. Kimpton et J. Drennan, « Structural and microstructural stability of ceria – gadolinia electrolyte exposed to reducing environments of high temperature fuel cells », Journal of Materials Chemistry A, vol. 1, no 36, , p. 10768-10782 (DOI 10.1039/c3ta11752a, lire en ligne)
- (en) Jurgen Garche, Chris K. Dyer, Patrick T. Moseley, Zempachi Ogumi, David A. J. Rand et Bruno Scrosati, Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, Newnes, 20 mai 2013. (ISBN 978-0-444-52745-5)
- (en) M. G. Chourashiya, S. R. Bhardwaj et L. D. Jadhav, « Fabrication of 10%Gd-doped ceria (GDC)/NiO–GDC half cell for low or intermediate temperature solid oxide fuel cells using spray pyrolysis », Journal of Solid State Electrochemistry, vol. 14, no 10, , p. 1869-1875 (DOI 10.1007/s10008-010-1013-0, lire en ligne)
- (en) Dan Luo, Zhongyang Luo, Chunjiang Yu et Kefa Cen, « Study on Agglomeration and Densification Behaviors of Gadolinium-Doped Ceria Ceramics », Journal of Rare Earths, vol. 25, no 2, , p. 163-167 (DOI 10.1016/S1002-0721(07)60066-0, lire en ligne)
- (en) Emma Rossinyol, Eva Pellicer, Anna Prim, Sònia Estradé, Jordi Arbiol, Francesca Peiró, Albert Cornet et Joan Ramon Morante, « Gadolinium doped Ceria nanocrystals synthesized from mesoporous silica », Journal of Nanoparticle Research, vol. 10, no 2, , p. 369-375 (DOI 10.1007/s11051-007-9257-z, Bibcode 2008JNR....10..369R, lire en ligne)
- (en) C. M. Halmenschlager, R. Neagu, L. Rose, C. F. Malfatti et C. P. Bergmann, « Influence of the process parameters on the spray pyrolysis technique, on the synthesis of gadolinium doped-ceria thin film », Materials Research Bulletin, vol. 48, no 2, , p. 207-213 (DOI 10.1016/j.materresbull.2012.09.073, lire en ligne)
- (en) Patrizia Bocchetta, Monica Santamaria et Francesco Di Quarto, « Electrodeposition of Supported Gadolinium-Doped Ceria Solid Solution Nanowires », Journal of The Electrochemical Society, vol. 159, no 5, , E108 (DOI 10.1149/2.005206jes, lire en ligne)