Difração de raios X in situ em alta temperatura e análise dilatométrica de compósitos CGO–Cu para dispositivos de óxido sólido

Evitar que dispositivos de alta temperatura rachem

Células a combustível e de eletrólise de óxido sólido podem transformar combustíveis, vapor e até dióxido de carbono em energia útil e produtos químicos com notável eficiência — mas somente se suas partes cerâmicas e metálicas se expandirem e contraírem de forma compatível ao aquecer e resfriar. Este trabalho explora uma nova forma de medir e prever como um ânodo promissor de compósito cobre–ceria cresce e encolhe em altas temperaturas, ajudando engenheiros a projetar dispositivos que duram mais e falham com menos frequência.

Por que combinar a expansão é importante

Em dispositivos de óxido sólido, a eletricidade é gerada ou consumida em camadas finas de cerâmica e metal que devem permanecer firmemente ligadas enquanto operam a 600–800 °C. Se uma camada se expandir sequer um pouco mais que a vizinha, tensões mecânicas podem se acumular, causando trincas ou o descolamento do eletrodo do eletrólito. Ânodos tradicionais à base de níquel e zircônia são eficazes, mas vulneráveis a depósitos de carbono e danos químicos ao usar combustíveis do mundo real. Compósitos de cobre–ceria oferecem uma alternativa mais limpa e barata, mas apenas se sua expansão térmica combinar de perto com a dos eletrólitos à base de céria. Compreender essa compatibilidade em condições de operação realistas é crucial para levar ao mercado tecnologias de óxido sólido mais robustas e de menor temperatura.

Uma nova maneira de observar os materiais respirarem

Os pesquisadores se concentraram em compósitos feitos de céria dopada com gadolínio (CGO), um condutor rápido de íons de oxigênio, e cobre, que fornece caminhos elétricos. Prepararam uma série de misturas CGO–Cu abrangendo aproximadamente 40–70% de céria em volume, depois moldaram e trataram as amostras para formar barras porosas tipo “cermet” semelhantes a ânodos reais. Em vez de testar expansão térmica e estrutura cristalina separadamente, combinaram dois métodos poderosos em um único experimento: difração de raios X de alta energia por síncrotron para acompanhar o espaçamento de redes cristalinas em escala atômica em cada fase, e dilatometria para medir a variação total de comprimento da barra durante aquecimento e resfriamento. Esse arranjo in situ permitiu observar tanto a “respiração” microscópica quanto a macroscópica do compósito desde a temperatura ambiente até 800 °C.

O que acontece dentro do compósito

Imagens e análises de composição mostraram que o cobre não permanece como partículas isoladas. Em alta temperatura e sob condições redutoras, ele se torna altamente móvel, formando uma rede metálica contínua ou semi‑contínua que umedece superfícies e contornos de grão das partículas de CGO e ocupa poros. À medida que o teor de cobre aumenta, a porosidade total diminui e o material se torna mais denso, embora a redução do óxido de cobre para metal crie inicialmente vazios adicionais. O refinamento por raios X revelou que tanto as redes cristalinas do CGO quanto do Cu ficam ligeiramente deformadas por suas restrições mútuas e que os grãos de CGO se tornam mais finos conforme a fração de CGO cresce. Esses detalhes microestruturais — tamanho de grão, porosidade e como as duas fases se intertravem — influenciam fortemente como o compósito se expande quando aquecido.

Encontrando a composição ideal

Ao extrair a expansão específica de cada fase a partir dos dados de raios X e compará‑la com a expansão macroscópica da dilatometria, a equipe mostrou que a expansão térmica não é simplesmente a média dos valores cerâmico e metálico. Em temperaturas mais elevadas, sinterização adicional e fechamento de poros, impulsionados em grande parte pelo cobre móvel ao longo dos contornos de grão, fazem com que o compósito encolha ligeiramente, curvando as curvas de expansão aparentes. Entre todas as misturas testadas, uma se destacou: o compósito CGO–Cu 59:41 exibiu um coeficiente de expansão térmica quase constante da temperatura ambiente até 800 °C, com encolhimento de alta temperatura mínimo. Sua expansão global seguiu de perto regras simples de mistura, indicando que as mudanças microestruturais durante o aquecimento foram incomumente pequenas para essa proporção.

O que isso significa para futuros dispositivos de energia

Para não especialistas, o principal resultado é que os autores identificaram tanto uma composição de material promissora — CGO–Cu em 59:41 por volume — quanto uma estratégia de medição rápida e preditiva. A abordagem combinada de raios X e dilatometria revela não apenas quanto um compósito se expande, mas também como sua estrutura interna evolui enquanto isso. Isso torna possível projetar eletrodos metal‑cerâmicos que se expandem em sincronia com seus eletrólitos, reduzindo o risco de trincas e delaminação. Tais cermets à base de cobre, termicamente estáveis, podem ajudar células a combustível e de eletrólise de óxido sólido a operar de forma confiável em temperaturas mais baixas, abrindo caminho para sistemas mais duráveis que convertem combustíveis e gases de efeito estufa em eletricidade e produtos químicos valiosos com menos tempo de inatividade e vida útil mais longa.

Citação: Balaguer, M., Fabuel, M., Kriele, A. et al. In situ high temperature X-ray diffraction and dilatometric analysis of CGO–Cu composites for solid oxide devices. Sci Rep 16, 1315 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35161-w

Palavras-chave: células a combustível de óxido sólido, expansão térmica, ânodos cermet, difração de raios X por síncrotron, compósitos de céria e cobre