Geri Dön

Magnesium based hydrogen storage materials

Magnezyum esaslı hidrojen depolama malzemeleri

PDF İndir

  1. Tez No: 323728
  2. Yazar: MERVE ILIKSU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. REHA YAVUZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Yenilenebilir enerji, günümüzde fosil yakıtların tükenmeye başlamasıyla daha büyük bir önem kazanmıştır. Birincil enerji kaynakları tükenen fosil yakıtlara bağımlı olmamalıdır. Fosil yakıtların çevreye verdiği zararlar büyük boyutlardadır. Bu nedenlerden ötürü yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının araştırılması zorunlu hale gelmiştir. Alternatif enerji kaynaklarının doğada yenilenebilir olarak bulunması tercih edilmektedir; güneş, rüzgar, biokütle ve jeotermal gibi. Bahsedilen bu kaynaklar, taşınabilir uygulamalar için doğrudan kullanılamamaktadır. Taşınabilir uygulamaların teknolojisi ve onlara olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Teknolojinin gelişiminde, yüksek teknoloji kullanan cihazların enerji gereksinimlerinin karşılanmasında, piller önemli bir ekipman olarak göz önüne alınmalıdır. Pillerin dolum-boşalım ömürlerinin süresi bu teknolojide önemli bir rol oynamaktadır. Bu noktada hidrojenin büyük rol oynaması beklenmektedir. Hidrojenin ve oksijenin yakıt hücresindeki ekzotermik reaksiyonunda açığa çıkan ürünler çevre dostudur. Ancak hidrojen üretimi ve depolanması ile ilgili sorunlar, hidrojenin yakıt pillerinde kullanılmasını tartışmalı hale getirmektedir.Hidrojenin depolanması genellikle yüksek basınç tanklarında gerçekleştirilmektedir. Yapılan bazı çalışmalar, 800 bar basınca kadar dayanabilen kompozit malzemeden yapılmış tanklarda depolamanın yapılabileceğini göstermiştir. Fakat bu tanklar büyük hacime sahip olup, hidrojeni tanklara sıkıştırmak için yüksek enerji gerekmektedir. Bu gibi olumsuzluklar yüksek basınç altında depolama yöntemin uygulanabilirliğini kısıtlamaktadır. Hidrojenin depolanması için bir diğer yöntem de atomik olarak metal hidritlerde (MH) depolanmasıdır. Bu yöntem yüksek hacim problemine bir çözüm olabilir gibi gözükmektedir. Hidrojenin MH'de depolanması, emniyet açısından daha güvenilir bir yöntemdir.Atomik seviyede hidrojen depolamanın olumsuz yanı, yeterince yüksek kapasitede depolama yapılabilecek MH'lerin günümüzde mevcut olmamasıdır. Bu olumsuzluk, hidrojen depolanması için hafif elementlerin seçilmesi ile giderilebilir. Ağırlıkça %7.7 hidrojen depolayabilen magnezyum, hafif elementler arasında umut veren elementlerden birisidir. Magnezyum yüksek depolama kapasitesine karşın, hidrojen salım sıcaklığı (279 OC) yüksek olup, hidrojeni absorplama ve desorplama kinetiğini yavaştır. Bu nedenle Magnezyum; Sc, Ti, V ve Cr gibi geçiş metalleri ile alaşımlar oluşturularak, gerek depolama özelliği gerekse de pratik kullanım özellikleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Mg-Sc alaşımları, bunların hidrojen depolama özellikleri bakımından ayrıntılı olarak incelenmiş ve Sc elementinin, Mg elementine daha iyi hidrojen depolama özelliği kazandırabileceği ortaya konulmuştur. Sc pahalı bir elementtir, bu durum onun pratik uygulamalarda kullanımını kısıtlamaktadır. Bundan dolayı Mg ile olabilecek alaşımlarda Sc yerine Ti kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, Magnezyum esaslı alaşımların üretimi, karakterizasyonu ve hidrojen depolama özellikleri incelenecektir.Mg esaslı alaşımların oluşturulması için; mekanik alaşımlama yöntemi kullanılmıştır. Mekanik alaşımlama, öğütme işlemleri arasında en başarılı yöntem olarak değerlendirilmektedir. İşlem, bir miktar bilye ve metal tozunun hazne içerisinde karıştırılması easasına dayanmaktadır. Karışma işlemi sırasında mikroskobik boyutta tekrarlanan çarpışma, soğuk kaynama ve kırılma işlemleri, istenilen alaşımın üretilmesini sağlamaktadır. Mekanik alaşımlama yönteminin en önemli avantajlarından birisi denge koşullarında alaşım yapılamayacak elementlerin alaşımlanabilmesidir. Mekanik alaşımlama tamamen katı fazda meydana gelir ve faz diyagramlarında belirtilen sınırlamalar bu yöntem için sınırlayıcı değildir. Mg-Ti alaşımı karışmaz bir sistem olması nedeniyle, metallerin eritilerek alaşım oluşturulması mümkün olmamaktadır. Bu çalışmada, Mg-Ti alaşımı için mekanik alaşımlama tekniği uygulanmıştır. Üretilen malzemelerin karakterizasyonu, XRD ve SEM ölçümleri aracılığıyla gerçekleştirilmiştir. XRD sonuçlarında ikinci faz oluşumu gözlenmemiş olup bu da homojenize alaşım elde edildiğinin kanıtı olarak değerlendirilmiştir. Çalışmada planlanan alaşımlar başarı ile elde edilmiştir. Literatürde homojen Mg-Ti-Si üçlü alaşımının başarılı bir şekilde elde edildiğine dair kesin vurgulara rastlanmamış olup, bu çalışmada homojen üçlü alaşım başarılı bir şekilde üretilebilmiştir. Metallerin ve elde edilecek alaşımların kontaminasyonunundan kaçınmak için alaşımlama işlemleri Argon gazı atmosferinde el ile doğrudan temasın olmadığı kapalı bir ortamda gerçekleştirilmiştir.Mg esaslı malzemelerin hidrojen depolama özellikleri Sabit Akım (CC), Galvanostatik Intermittent Titrasyon tekniği (GITT) ve Elektrokimyasal İmpedans Spektroskopi (EIS) gibi elekrokimyasal yöntemlerle belirlenmiştir. Üretilen her bir alaşım için hidrojen depolama özellikleri değerlendirilmiş ve hidrojen depolama performansları karşılaştırılmıştır. Ağırlıkça %10 Nikel ilave edilen Mg-Ti alaşımında absorpsiyon-desorpsiyon kinetiği önemli bir gelişim göstermiş olup, termodinamik özellikler açısından ise bir gelişim gözlenmemiştir. %20 Ni ilave edilmesi durumunda ise kinetikte çok az bir gelişim olmakla birlikte, %10 Ni ilavesine yaklaşık olarak benzer bir gelişim gözlenmiştir.Üretilen malzemeler içerisinde kinetik açıdan en olumlu sonuç Mg2Ni esaslı alaşımlarda elde edilmiştir. Mg2Ni alaşımına Ti ilave edilmesi malzemenin kinetik özelliklerinde belirgin bir iyileştirmeye neden olmuş olup termodinamik özelliklerinde herhangi bir gelişmeye neden olmamıştır. Bu alaşımın iyileştirilen kinetik özellikleri muhafaza edilerek veya daha fazla geliştirilerek, termodinamik özelliklerinin de geliştirilmesiyle gelecek vadeden malzemeler üretilebilecektir. Si ile üretilen alaşımlara ait sonuçlar, diğer üretilen üçlü alaşımların performansları ile karşılaştırıldığında, Si esaslı alaşımların gerek kapasite gerekse de termodinamik bakımdan daha olumsuz sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Mg2Si ikili alaşımının depolama kapasitesinin düşük olması nedeniyle kinetik ve termodinamik özellikleri hakkında bir yorum yapılamamıştır. Bu çalışmada yığın formunda üretilen Mg-Ti-Si alaşımının kinetiği, literatürde ince film yöntemiyle üretilen alaşımına göre daha olumsuz bir durum göstermiştir. Bu da üretim yöntemleri dikkate alındığında beklenen bir durumdur.

Özet (Çeviri)

Nowadays sustainable energy is becoming more important issue, according to depleting fossil fuel reserves. The primary energy sources must not depend on the fossil fuels. Moreover, fossil fuels cause several damage to environment. In order to meet the future energy demands, the new and renewable energy sources must be investigated to cope up energy needs. It is more preferable if the sources are renewable in the nature; such as solar, wind, biomass, water and geothermal.The renewable sources which are mentioned above cannot be used in mobile applications directly. The usage of portable electronic devices is increasing rapidly. With the increasing level of technology, batteries are considered as a vital equipment in supporting the energy needs of the high-tech devices. The cycle life time of the batteries plays also an important role in this technology. At this point hydrogen is expected to play a dominant role. One of the important aspects of hydrogen is only environmental friendly products are emitted in the exothermic reaction of hydrogen with oxygen in a fuel cell. But the problems related with the production and storage of hydrogen cause a debate in the usage of hydrogen in fuel cells.Hydrogen is generally stored in high pressure cylinders. Some researches show that new light weight composite material cylinders can withstand the pressures up to 800 bars. But these cylinders have large volumes and energy required for compressing hydrogen inside them is also high. Such disadvantages limit the practical applicability of high pressure storage of hydrogen in cylinders. The other way for storing hydrogen is to store it atomically in metal hydride (MH). This method seems to be a solution for large volume problem of the storage. MHs provide a safe storage, and they do not need extensive safety precautions unlike compressed hydrogen gas.The problem for atomically stored hydrogen is finding the metal-hydrogen system with a high gravimetric capacity. This problem can be solved with choosing the light-weight elements. Mg is one of the promising elements in light weight elements which can store 7.7 wt.% H. Despite of its high capacity, it has a high desorption temperature (279ºC) and slow hydrogen absorption-desorption kinetics. Thus, for improving the hydrogen storage capacity and also practical usage properties, Mg is going to be alloyed with the transition metals such as Sc, Ti, V and Cr. Magnesium Scandium alloys were investigated throughly for its hydrogen storage properties and it was suggested that Sc can be the good alloying element to Mg to achieve better hydrogen storage properties. Sc is expensive; thus this hinders it to be used in the practical application. Because of that Ti can be replaced instead of Sc to achieve the similar kind of hydrogen storage properties. In this research, Magnesium based alloy production, characterisation and hydrogen storage properties will be investigated.For preparing Mg based alloys, mechanical alloying technique was used. Mechanical alloying is one of the best milling methods. This technique depends on some balls and some powder mixing in a vessel. Cold welding, fracturing, rewelding and flattening occurred during the milling process produce the proper alloy. Mechanical alloying is non equilibrium processing technique so the elements which cannot be alloyed in equilibruim conditions can be alloyed with this technique. The limiting conditions in the phase diagrams are not limiting properties for this technique. Mechanical alloying takes place completely in solid phase and since the Mg-Ti alloy is immiscible system, it is not possible to make an alloy through conventional melting. In this research, mechanical alloying technique is used for alloying Mg-Ti systems. XRD and SEM are used for characterization of the alloys. Second phase are not observed in the XRD patterns, that is taken as a proof of homogen alloys. The alloys that were planned at the beginning of the study were prodcued successfully. Mg-Ti-Si alloy was produced with a success in this study, that there was not a clear evidence for production of homogeneous Mg-Ti-Si alloy in literature. All the alloying process were performed in Argon gas glove box for avoiding the contaminations of metals.Electrochemical methods were used to investigate the hydrogen storage properties of the alloys. Such as constant-current(CC) measurements, galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The hydrogen storage capacites of all the alloys are evaluated and the hydrogen storage performances are compared with each other. Despite a significant improvement in 10 wt.% absorption-desorption kinetics in case of addition of Ni element to Mg-Ti alloy was obtained, the thermodynamic properties were not improved properly.Addition of 20 wt.% Ni to Mg-Ti alloy can be considered as it showed almost the same improvement compared to the 10 wt.% Ni addition although the kinetic properties were slighlty improved.The best kinetical improvement among the alloys were prepared in this study was obtained for Mg2Ni based alloys. Addition of Ti to Mg2Ni alloy caused a considerable improvement in the kinetic properties of the alloy but the thermodynamic properties remained constant.By keeping or more improving the kinetic properties of the 10 wt.% Ti Mg2Ni alloy and improving the thermodynamic properties of it, it can be promising material for hydrogen storage. When the results of alloys containing Si element are compared with the other ternary alloys, it is observed the alloys containing Si are showed poor properties with respect to both in capacities and thermodynamic properties. Since the Mg2Si binary alloy has low storage capacity, any comments on kinetic and thermodynamic properties of it does not need to be performed.Mg-Ti-Si alloy that is produced in bulk form in this study was compared with the results are given in the literature for the alloys produced in thin film method and observed that the kinetic behaviour of bulk form is poor. This not an unexpected result when the production methods are considered.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    474998

    Development of magnesium based negative electrode materials for nickel metal hydride batteries

    Nikel metal hidrür pilleri için magnezyum esaslı negatif elektrot malzemelerinin geliştirilmesi

    CAVİT EYÖVGE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TAYFUR ÖZTÜRK

  2. Tez No

    143549

    Structural characterization of magnesium-nickel-X hydrogen storage alloys

    Magnezyum-nikel-X hidrojen depolama alaşımlarının yapısal nitelendirilmesi

    ERAY AKŞİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEDAT AKDENİZ

    PROF. DR. AMDULLA MEKHRABOV

  3. Tez No

    493757

    Magnezyum esaslı amorf ve nanokristal alaşımların üretilmesi, mekanik özelliklerinin ve hidrojen depolama kapasitelerinin incelenmesi

    Production of magnesium based amorphous and nanocrystalline alloys, and investigation of their mechanical properties and hydrogen storage capacities

    CELAL KURŞUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSA GÖĞEBAKAN

  4. Tez No

    414051

    Synthesis and investigation of hydrogen storage properties of Mg(BH4)2 and investigation on structural modification in MgB2

    Mg(BH4)2 sentezi ve hidrojen depolama özelliklerinin incelenmesi ve MgB2 yapısal modifikasyonunun incelenmesi

    ALİ BATENİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    EnerjiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER

  5. Tez No

    216167

    Metal hidrit nanoparçacıkların sentezi ve hidrojen depolama özelliklerinin incelenmesi

    Synthesis of metal hydride nanoparticles and investigations of their hydrogen storage properties

    ESİN UÇAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Bilim ve TeknolojiHacettepe Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. TEZER FIRAT

Geri Dön