Developing ABO3 perovskites synthesized by the Pechini method for their potential application as cathode material in solid oxide fuel cells: Structural and electrical properties

In this research, the effect of La substitution by Pr cation in the A-site of ABO3 perovskites was carried out using the Pechini method for use in solid state fuel cells (SOFCs). The atomic compositions of Pr varied from x = 0.35, 0.49, 0.53, 0.56, 0.63 and 0.7 in the La0.7−xPrxCa0.3MnO3 (LPCM) perovskites. The XRD patterns indicated that all the perovskites crystallized in the orthorhombic system with Pnma space group, but only in atomic compositions of 0.53 and 0.70 is possible to obtain pure phases; whereas the other compositions present narrow peaks of La and Pr oxides that are reduced with the amount of the cationic substitution. The Rietveld methodology and its analysis by the Goldsmith tolerance factor indicated that the stability of the samples was achieved through Jahn-Teller distortion in the b-axis. The Mn3+/Mn4+ atomic ratios determined by XPS measurements suggested that the substitution of La ions by Pr promotes the hole doped system instead of electron system. The electrical conductivity showed that the synthesized perovskites are mixed ionic and electronic conductors which positively influence their application in SOFCs. In particular, the La0.17Pr0.53Ca0.3MnO3 may be a good cathode candidate for these devices. En esta investigación, el efecto de la sustitución del catión Pr por el La en el sito de A de las perovskitas ABO3 se llevó a cabo utilizando el método de Pechini para uso en celdas de combustible de estado sólido (SOFC). La composición atómica de Pr fue variada de x = 0.35, 0.49, 0.53, 0.56, 0.63 y 0.7 en las perovkitas La0.7−xPrxCa0.3MnO3 (LPCM). Los patrones de DRX indicaron que todas las perovskitas cristalizaron en el sistema ortorrómbico con grupo espacial Pnma, pero únicamente de las composiciones atómicas de 0.53 y 0.70 es posible obtener fases puras; mientras que, otras composiciones presentan picos estrechos de óxidos de La y Pr que se reducen con la cantidad de sustitución catiónica. La metodología de Rietveld y el análisis realizado mediante el factor de tolerancia Goldsmith indicó que la estabilidad de las muestras fue lograda a través de la distorsión de Jahn-Teller en el eje-b. Los radios atómicos Mn3+/Mn4+ indican que la sustitución de La por iones Pr promueve el sistema dopado a través de huecos. La conductividad eléctrica demostró que las perovskitas sintetizadas son conductores mixtos iónicos y electrónicos que influyen positivamente en la aplicación en SOFC. Particularmente, La0.17Pr0.53Ca0.3MnO3 es un buen cátodo para este tipo de dispositivos.