Yttria-stabilized zirconia (8YSZ) synthesis in a supercritical CO$_2$-assisted process: a parametric study for achieving cubic phase stability
Résumé
Yttria-stabilized zirconia (YSZ) with a yttria content beyond 8%mol is especially interesting for its high ionic conductivity in the high-temperature range (700–1000 °C). Thereby, cubic YSZ properties make it a useful ceramic material for electrodes or electrolytes in various applications, such as solid oxide cell (SOC) technologies for energy conversion or oxygen sensors. This work aims to propose an alternative microstructure, hopefully, to improve material features. Adapting a sol–gel-type process that involves the use of supercritical CO2 (scCO2) to stabilize doped-zirconia nanoparticles in their cubic structure allows the crystallization of powders at temperatures as low as 250 °C. The resulting powders are very fine, with large specific surface areas around 50–150 m$^2$ g$^{−1}$, low agglomeration, and small-sized crystallites around 8–10 nm. After studying the effect of the operating conditions on the stabilization of the cubic crystalline phase, a well-adapted powder was selected and characterized in detail with respect to its microstructure, and its thermal behavior was investigated to eventually prepare an electrode/electrolyte.
La zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ) avec une teneur en yttrium supérieure à 8 %mol est particulièrement intéressante pour sa conductivité ionique élevée dans la gamme des hautes températures (700 - 1000 °C). Ainsi, les propriétés cubiques de l'YSZ en font un matériau céramique utile pour les électrodes ou les électrolytes dans diverses applications, telles que les technologies de cellules à oxyde solide (SOC) pour la conversion de l'énergie, ou les capteurs d'oxygène. Ce travail vise à proposer une microstructure alternative, dans l'espoir d'améliorer les caractéristiques du matériau. L'adaptation d'un processus de type sol-gel impliquant l'utilisation de CO$_2$ supercritique (scCO$_2$) pour la stabilisation des nanoparticules de zircone dopée dans sa structure cubique permet la cristallisation de poudres à une température ce seulement 250 °C. Les poudres obtenues sont très fines, avec une surface spécifique élevée d'environ 50 à 150 m²/g, une faible agglomération et des cristallites de petite taille d'environ 8 à 10 nm. Après avoir étudié l'effet des conditions de fonctionnement sur la stabilisation de la phase cristalline cubique, une poudre bien adaptée a été sélectionnée, caractérisée en détail en ce qui concerne sa microstructure et son comportement thermique a été étudié pour préparer une éventuelle mise en forme d'électrode/électrolyte.