Synthèse par voie sol-gel et mise en forme de couches épaisses de nickelates de lanthane : applications comme cathodes de piles à combustible SOFC

par René Fabian Cienfuegos

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Florence Ansart et de Simone Castillo.

Soutenue en 2008

à Toulouse 3 .

mots clés

• Cathode
• Sofc
• Nickelates de lanthane
• Lanthanium nickelates
• Sol-gel
• Electrochimie
• Sol-gel, Procédé
• Lanthane -- Composés
• Piles à combustible à oxyde solide
• Cathodes
• Couches épaisses (électronique)

Résumé

Ce travail porte sur la synthèse et la mise en forme de couches minces et épaisses de nickelates de lanthane (phases de Ruddlesden-Popper) La2-xNiO4+d (x=0, 0. 02) et La4Ni3O10. Ces matériaux à conduction mixte (MIEC) sont étudiés en vue de leur application comme cathodes de piles à combustible SOFC fonctionnant à température intermédiaire (700-800°C). Ils sont préparés sous forme de poudres par procédé sol-gel et sont incorporés ensuite dans des suspensions dont les paramètres physico-chimiques ont été optimisés en vue d'assurer leur stabilité. Par trempage-retrait du substrat, soit directement dans le sol, soit dans la suspension, suivi d'un traitement thermique, nous avons préparé des revêtements homogènes et non fissurés dont l'épaisseur est comprise entre quelques dizaines de nanomètres et plusieurs microns. Dans une seconde étape, nous avons préparé des revêtements architecturés basés sur l'empilement de couches interfaciales et de couches épaisses de nickelates de lanthane à différents taux La/Ni, afin de mettre à profit leurs caractéristiques intrinsèques (conductivité électronique et/ou ionique). Au-delà des caractérisations structurales et microstructurales conventionnelles, des tests électrochimiques ont permis de valider les performances prometteuses de ces cathodes architecturées pour une application dans le domaine des piles SOFC.

Titre traduit

Synthesis by sol-gel route and processing of lanthanum nickelates thick layers : application as SOFC fuel cells cathodes

Résumé

This work focuses on the synthesis and elaboration of thin and thick layers of lanthanum nickelates (Ruddlesden-Popper phases) La2-xNiO4+d (x = 0, 0. 02) and La4Ni3O10. These mixed conducting materials (MIEC) are studied for their application as cathodes for solid oxide fuel cells (SOFC) operating at intermediate temperatures (700-800°C). They are prepared in the form of powders by sol-gel process and then incorporated into suspensions. In these suspensions, physico-chemical parameters have been optimized in order to ensure their stability. By dip-coating the substrate directly in the sol or in the suspension, followed by heat treatment, homogeneous and crack-free thin (100-200 nanometers) or thick (several microns) coatings respectively are prepared. In a second step, homogeneous or architectured thick multilayers were prepared, with or without interfacial thin layer. In this work, structural and microstructural characterization of the coatings are presented and discussed. Electrochemical tests of selected architectures were then used to valid performances of these promising structured cathodes.