Estudo publicado na revista Materials analisa como a microestrutura de uma cerâmica influencia o transporte de íons e pode contribuir para o desenvolvimento de dispositivos eletroquímicos mais eficientes
Pesquisadores ligados ao Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) participaram de um estudo que investigou as propriedades estruturais, microestruturais e elétricas de um material cerâmico com potencial para aplicações em tecnologias de conversão e armazenamento de energia. Os resultados foram publicados em 18 de agosto na revista científica Materials, no artigo “Impedance Spectroscopy Analysis of Field-Assisted Sintered Sr- and Mg-Doped Lanthanum Gallate”.
O trabalho teve como foco o galato de lantânio dopado com estrôncio e magnésio (LSGM), um material cerâmico conhecido por sua capacidade de conduzir íons de oxigênio. Esse tipo de material é estudado para utilização como eletrólito sólido em dispositivos eletroquímicos, entre eles as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) e as células de eletrólise de óxido sólido (SOECs), tecnologias que podem ser empregadas tanto na geração de eletricidade quanto na produção de hidrogênio.
A pesquisa buscou compreender especialmente por que as fronteiras de grão — regiões de interface entre os pequenos cristais que formam uma cerâmica — apresentam maior resistência à passagem dos portadores de carga. A compreensão desse fenômeno é importante porque essas interfaces podem dificultar o transporte dos íons de oxigênio e, consequentemente, limitar o desempenho do material em aplicações eletroquímicas.
Cerâmica com alta densificação
Para produzir o material, os pesquisadores utilizaram uma rota de síntese química para obter um pó nanostruturado de LSGM, com composição La₀.₉Sr₀.₁Ga₀.₈Mg₀.₂O₃₋δ. Em seguida, o material foi consolidado utilizando uma técnica de sinterização assistida por campo elétrico, conhecida pela sigla SPS (Spark Plasma Sintering).
O processo permitiu obter materiais com elevada densidade mesmo após um curto período de tratamento térmico. As amostras apresentaram densidades relativas entre 93% e 98% da densidade teórica, enquanto o tamanho médio dos grãos permaneceu na escala submicrométrica, entre aproximadamente 350 e 640 nanômetros.
Na amostra sinterizada a 1.200 °C, a análise estrutural revelou uma quantidade muito pequena de fase secundária, de aproximadamente 0,71%. Esse resultado indica que a estratégia empregada para processamento do material foi eficiente para reduzir a formação de fases indesejadas, um dos desafios associados à preparação de eletrólitos cerâmicos desse tipo.
Investigação por espectroscopia de impedância
Um dos diferenciais do trabalho foi a utilização da espectroscopia de impedância, técnica que permite analisar como um material responde à passagem de corrente alternada em diferentes frequências.
A partir dessa metodologia, foi possível separar as contribuições do interior dos grãos e das fronteiras entre eles para a condução elétrica. Os resultados mostraram que a condutividade no interior dos grãos não apresentou dependência significativa com a temperatura utilizada na sinterização.
Já a resistência associada às fronteiras de grão revelou um comportamento relacionado ao tamanho médio dos grãos. Segundo os pesquisadores, essas regiões podem restringir o caminho percorrido pelos portadores de carga e favorecer a formação de camadas de carga espacial, contribuindo para o chamado efeito de bloqueio do transporte iônico.
A energia de ativação total determinada para a condução elétrica foi de 0,94 ± 0,05 eV, um parâmetro importante para compreender os mecanismos responsáveis pelo transporte de carga no material.
Avanço para materiais aplicados à transição energética
Os resultados ajudam a ampliar a compreensão dos mecanismos que controlam o transporte de íons de oxigênio em cerâmicas de LSGM. Esse conhecimento é fundamental para o desenvolvimento de eletrólitos sólidos com propriedades adequadas para dispositivos eletroquímicos de alta eficiência.
As células a combustível de óxido sólido, por exemplo, podem converter energia química em eletricidade, enquanto as células de eletrólise de óxido sólido podem utilizar eletricidade para produzir hidrogênio. O artigo destaca que as propriedades do galato de lantânio dopado fazem desse material um candidato promissor para essas duas tecnologias.
Para os autores, os resultados demonstram também a importância de relacionar processamento, microestrutura e propriedades elétricas no desenvolvimento de novos materiais funcionais. A pesquisa abre espaço para estudos futuros sobre a estabilidade do material em longo prazo e suas propriedades mecânicas nas condições reais de operação.
O trabalho contou com pesquisadores do CDMF e do Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), além do Instituto SENAI de Inovação em Eletroquímica, de Curitiba. Participaram do estudo Shirley L. Reis, Cyrile F. N. Gonin, Thiago N. Machado, Marcos A. C. Berton, Reginaldo Muccillo e Eliana N. S. Muccillo.
A pesquisa recebeu apoio da Fapesp, do CNPq e da Capes.
Referência: REIS, S. L. et al. Impedance Spectroscopy Analysis of Field-Assisted Sintered Sr- and Mg-Doped Lanthanum Gallate. Materials, v. 19, n. 16, 3481, 2026. DOI: 10.3390/ma19163481.
Leia o artigo completo na revista Materials
CDMF
Com sede na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e dirigido pelo Prof. Dr. Elson Longo, o CDMF é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
