Geri Dön

Experimental phase studies in the BaO-CeO2-Gd2O3 system

BaO-CeO2-Gd2O3 sisteminde deneysel faz çalışmaları

PDF İndir

  1. Tez No: 472834
  2. Yazar: ÇAĞRI ÖZTÜRK
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Enerji yüzyıllardır insanlığın en önemli konularından biri olmuştur. Günümüzde ise gelişen teknoloji ile birlikte enerji daha da önemli bir konu haline gelmiştir. Dünyada kullanılan enerjinin çok büyük bir bölümü fosil yakıtların yakılmasıyla elde edilmektedir. Ancak fosil yakıtların tükenmek üzere olması araştırmaların gelecekte artan enerji ihtiyacını karşılamak için alternatif enerji kaynaklarına odaklanmasını sağlamıştır. Fosil yakıtlar genellikle yakılarak enerji elde edilmekte ve üretilen enerji mekaniksel yöntemlerle elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Mekaniksel enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesi kayıplara yol açmakta ve sistemin verimliliğini düşürmektedir. Ayrıca artan enerji talebini karşılamak için bu tip sistemlerin kullanımının yaygınlaşmasıyla doğaya salınan karbon miktarında ciddi bir artış olmuş ve çevre kirliliğini tetiklemiştir. Günümüzde çevreye zarar vermeyen, temiz, uzun süreli kullanım olanağı sağlayan ve fosil yakıtlara alternatif enerji kaynakları olarak hidro enerji, rüzgar tribünleri, güneş panelleri, jeotermal enerji ve biokütle gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı daha da yaygınlaşmıştır. Devletlerin bu tip enerji kaynaklarının kullanımını teşvik etmesiyle yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretiminin maliyetleri oldukça düşmüş ve kullanımı giderek yaygınlaşmıştır. Ayrıca enerji üretimi sonucunda doğaya salınan karbon miktarı ile ilgili yasal kısıtlamaların getirilmiş olması bu enerji kaynakların önemini daha da arttırmıştır. Ancak yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekli elektrik üretiminden yoksun olmaları ve hava durumu, sıcaklık, rüzgar hızı, ortam gibi bir çok faktörden etkileniyor olması bu tip enerji kaynakların kritik alanlardan kullanımını mümkün kılmamaktadır. Yakıt pilleri temiz, çevre dostu, sürekli ve yüksek verimlilikle çalışabilen enerji üretim sistemleri olduklarından artan enerji ihtiyacını karşılayacak ve yenilenebilir enerji kaynaklarına alternatif olarak kullanılabilecek enerji kaynaklarıdırlar. Günümüzde yakıt pilleri üzerine yapılan çalışmalar giderek artmaktadır. Yakıt pilleri herhangi bir mekaniksel sisteme ihtiyaç duymaksızın kimyasal enerjiyi elektrokimyasal yöntemlerle direkt olarak elektrik enerjisine çevirirler. Mekaniksel sistemler kullanmadıklarından enerji dönüşümü sırasındaki kayıplar en aza indirilmiştir. Yakıt hücreleri yakıt olarak hidrojen, doğal gaz, karbon monoksit, metan ve biokütle kullanabilirler. Özellikle yakıt olarak hidrojen kaynağı kullanan sistemler atık olarak sadece su buharı oluştuğundan doğaya zarar vermeyen sistemlerdir. Katı oksit yakıt pilleri yüksek verimlilikleri ve çok çeşitli yakıtlarla çalışabilmeleri nedeniyle yakıt pilleri içinde en fazla önem arz eden yakıt pili çeşididir. Katı yakıt oksit pili porlu yapıdaki katı oksit elektrotlar arasında konumlandırılmış yoğun elektrolit tabakasına sahiptir. Yakıt olarak genellikle hidrojen kullanılmaktadır. Oksijen katot tarafından beslenir ve burada elektronlar vasıtasıyla indirgenerek oksijen iyonları elde edilir. Porlu yapıdaki katot elektrot oksijen gazının ve oksijen iyonlarının taşınmasına izin verecek yapıda iyonik iletkenliğe sahiptir. Ayrıca reaksiyon sonucu üretilen su buharının geçişine de izin verecek boşluklar içermektedir. Elektrolit tabakası ise moleküler yapıların ve proton iyonlarının geçmesini engelleyen seçici geçirgen yoğun bir tabakadır. Oksijen iyonları elektrolitten geçerek anoda ulaşır ve burada hidrojen gazı ile oksidasyon reaksiyonuna girerek su buharı oluşturur. Reaksiyon sonucunda açığa çıkan elektronlar harici devre vasıtasıyla katota taşınırlar böylece enerji üretilir. Katota taşınan elektronlar tekrar oksijen gazının indirgenmesini sağlarlar ve devre tamamlanmış olur. Katı yakıt oksit pilleri yaklaşık 600-1000°C aralığında ve %70 verimle çalışan sistemlerdir. Çalışma sıcaklıklarının yüksek olması sebebiyle birleşik ısı ve güç sistemleriyle entegre edilerek verimlilikleri arttırılabilmektedir. Katı oksit yakıt pillerinde elektrolit olarak genellikle yttriya-stabilize zirkonya (YSZ) kullanılmaktadır. Bu malzemenin oksit iyonlarını iletebilmesi için sistem 1000°C sıcaklığına ısıtılmalıdır. Ancak katı yakıt oksit pillerindeki bütün bileşenler bu sıcaklıkta ve ortam koşullarında kararlı olup diğer bileşenlerle kimyasal tepkimeye girmemelidir. Ayrıca mekaniksel özellikleri de bu sıcaklıkta diğer bileşenlerle uyumlu olmalıdır. Bu sıcaklıkta çalışan birbiriyle uyumlu malzemelerin sınırlı olması katı yakıt oksit pillerinin kullanımını kısıtlamaktadır. Araştırmalar katı yakıt oksit pilleri için alternatif malzemelerin bulunmasına ve çalışma sıcaklığının düşürülmesine yoğunlaşmıştır. Gadolinyum doplanmış seryum oksit ve gadolinyum, yttrium, evropiyum, lantan, neodyum gibi nadir toprak elementleri doplanmış baryum seryum oksit düşük sıcaklıklarda yüksek iyonik iletkenliğe sahip malzemelerdir. Bu malzemeler hem proton iletkenliği hem de oksit iyon iletkenliğine sahip olmaları sebebiyle tüm yakıtlarla kullanılabilmektedir. Gadolinyum doplanmış baryum seryum oksit düşük çalışma sıcaklığı, yüksek iyon iletkenliği ve hem proton hem de oksit iyon iletkenliği özellikleri sayesinde katı oksit yakıt pili uygulamalarında umut vadeden malzemelerden biridir. Bu çalışmada daha önce literatürde verisi bulunmayan BaO-CeO2-GdO1.5 üçlü faz diyagramının 1300°C sıcaklığı için belirlenmesi amaçlanmıştır. Üçlü faz diyagramının belirlenebilmesi için hazırlanan numunelere X-ışınları spektrometresi (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elementel analiz (EDS) teknikleri uygulanmıştır. Analizler sonucunda BaO-CeO2-GdO1.5 üçlü faz diyagramının deneysel olarak tespit edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca üçlü faz diyagramının çizilmesi amacıyla BaO-CeO2 ve CeO2-GdO1.5 ikili faz diyagramları incelenerek belrlenen sıcaklıklardaki oluşan ara fazlar belirlenmiştir. Ancak BaO-GdO1.5 ikili faz diyagramı literatürde bulunmadığından hazırlanan numuneler ve uygulanan analiz yöntemleriyle BaO-GdO1.5 ikili faz diyagramının çizilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında numuneler katı-hal reaksiyonu yöntemiyle hazırlanmıştır. Başlangıç tozu olarak BaCO3, CeO2 ve Gd2O3 kullanılmıştır. Belirlenen kompozisyonlarda hazırlanan numuneler alkol ile karıştırılarak bilyalı öğütücüde 6 saat ve 300 rpm hızda öğütülerek tane boyutu küçültülmüştür. Daha sonra elde edilen numuneler 16 saat 150°C sıcaklıkta tutularak alkol uçurulmuştur. Elde edilen tozlar 1100°C sıcaklıkta 6 saat süreyle kalsine edilmiştir. Kalsine edilen tozlar tekrar bilyalı öğütücüde 30 dakika 300 rpm hızda öğütülmüştür. Öğütülen tozlar silikon kalıplara doldurularak 400 MPa basınç altında soğuk izostatik pres kullanılarak preslenmiş ve pelet elde edilmiştir. Elde edilen peletler 1300°C sıcaklıkta açık atmosferde 48 saat sinterlenmiş ve böylece nihai ürün elde edilmiştir. Numunelerin isimlendirilmesi içerisinde bulunan seryum ve gadolinyum miktarına göre yapılmıştır. Örneğin BCG25-25 bileşiğinde %25 seryum, %25 gadolinyum bulunmaktadır geri kalan miktar ise her zaman baryum olmaktadır. Hazırlanan BCG0-67, BCG0-50 ve BCG10-57 numuneleri hızlı soğutularak ve ayrıca ekstra 72 saat 1300°C sıcaklıkta ısıl işleme tabi tutularak BaGd2O4 fazının kararlı olup olmadığı araştırılmıştır. Ayrıca BCG0-67 ve BCG0-50 numuneleri sol-gel metoduyla hazırlanarak katı hal reaksiyonu tekniğiyle hazırlanan aynı kompozisyondaki numuneler arasında fark olup olmadığı incelenmiştir. Sol-gel yönteminde başlangıç tuzları olarak Ba(NO3)2, Ce(NO3)3.6H2O ve Gd(NO3).6H2O kullanılmıştır. Tuzlar saf su içinde ısıtıcılı karıştırıcıda çözülmüştür. Karıştırma esnasında belirli aralıklarla şelat yapıcı olarak katyon başına bir mol sitrik asit ilave edilmiştir. Böylece metal iyonları ile sitrik asit arasında organik bağ oluşturularak çözeltinin jelleşmesi sağlanmıştır. Çözeltideki su uzaklaştırılarak ani yanma reaksiyonu gerçekleşmiştir. Ani yanma reaksiyonu bileşiklerin ön oluşum aşamasıdır ve bu aşamadan sonra numuneler etüve konarak reaksiyonun devam etmesi sağlanmıştır. Etüvdeki numuneler içerisindeki organikler ve suyun uzaklaşması sonucu kabarmıştır, böylece reaksiyon tamamlanmıştır. Daha sonra numuneler öğütülerek krozelere konmuş ve 800°C sıcaklıkta 6 saat süreyle kalsinasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Kalsinasyondan çıkan tozlar öğütülerek 400 MPa basınç altında soğuk izostatik preste preslenmiş ve pelet oluşturulmuştur. Oluşturulan peletler 1300°C sıcaklıkta 48 saat süreyle sinterlenmiştir. Hazırlanan numuneler hem hızlı soğutularak hem de fırın içinde soğutularak fazlar incelenmiştir. Katı hal reaksiyonu ve sol-gel yöntemiyle üretilen numunelerin XRD ve SEM/EDS analizleri sonucunda elde edilen veriler kullanılarak BaO-CeO2-GdO1.5 üçlü faz diyagramı ve BaO-GdO1.5 ikili faz diyagramı çizilmiştir. Bu araştırmanın sonucunda BaGd2O4 yüksek sıcaklık fazı olduğu tespit edilmiş, bu fazın düşük sıcaklıklarda BaCO3 ve monoklinik Gd2O3 fazlarına parçalandığı tespit edilmiştir. Ayrıca baryum seryum oksit katı eriyik formundaki fazda, gadolinyum oksit miktarı arttıkça malzemenin mekanik direnci düşmekte ve çatlak oluşmaktadır. Çalışmanın diğer bir sonucu ise gadolinyumun baryum içinde bir miktar çözündüğü tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Energy became more important issue with developing technology. Fossil fuels play an important role to produce energy. Nevertheless, they are limiting and environmentally hazardous energy sources. Because of these reasons, energy producers have tended to use renewable energy sources such as hydropower, solar panels, biomass, geothermal energy, and wind turbines. However, there are some disadvantages of these systems; they are transient energy sources and affected so many factors such as wind speed, temperature, ambient, and weather. So they cannot be used in critical applications. At this point, fuel cells are alternative energy sources that are clean, environment-friendly and high efficient systems. Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy with high efficiency. In these systems, various types of fuels can be used such as hydrogen, natural gas, carbon monoxide, methane and biomass. Especially, fuel cells use hydrogen as fuel dispose water vapor as waste. This shows fuel cells have zero environmental pollutant emission. Solid oxide fuel cells are one of the most important members of fuel cells regarding to their high efficiency and operation capability with different types of fuels. However, the main problem of solid oxide fuel cell is that material selection is difficult because of high operating temperature. Thus, various types of materials have been investigated for decreasing operating temperature of solid oxide fuel cells. Gadolinium doped ceria one of the most important material for decreasing operating temperature and increasing efficiency. On the other hand, it has been shown that different dopant addition such as gadolinium, yttrium, europium, lanthanum, and neodymium improved material properties. Gadolinium doped barium cerate is a potential material for fuel cell applications since it works relatively low operating temperature and has high conductivity, high mechanical strength and mixed ion conductivity. Additionally, it has not only oxide ion conductivity but also protonic conductivity thus, it can use all the types of fuels and it has wide application areas. The purpose of this study is that experimental phase studies in BaO-CeO2-GdO1.5 quasi-ternary system, in which there is no phase diagram data available, at 1300°C with using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy analyses (EDS). Various compositions of BaCe(1-x)Gd(x)O(3-x/2) were prepared and they were named according to cerium and gadolinium amount. Conventional solid-state reaction method was used for preparing samples. BaCO3, CeO2 and Gd2O3 were used as starting powders and then they were mixed with alcohol. After that, powders were wet milled and alcohol was disposed from mixture with drying 16h at 150°C. Powders were calcined at 1100°C for 6h and then milled again for reducing particle size. Then powders were pressed at 400 MPa using cold isostatic press. Pellets were sintered at 1300°C for 48h. BCG0-67, BCG0-50 and BCG10-57 samples were sintered again at 1300°C for 72h for understanding BaGd2O4 phase formation. Moreover, BCG0-67, BCG0-50 and BCG10-57 samples were quenched for examining stability of BaGd2O4 phase. BCG0-67 and BCG25-25 samples were prepared with the Pechini (sol-gel type wet chemistry) method for crosscheck. In the sol-gel method, Ba(NO3)2, Ce(NO3)3.6H2O and Gd(NO3).6H2O powders were used as starting powders. These powders were mixed with distilled water. They were stirred and heated with magnetic stirrer. During heating one mole citric acid per cation was added as chelating agent, and then a gel formation was observed. When distilled water amount reached below a critical value, a sudden combustion reaction was observed. Then, samples were put into drying oven at 150°C for completing reaction. Organics and water were removed in drying oven and samples formed foam. Then, powders were ground and calcined at 800°C for 6 h. Calcined powders were ground again and pressed at 400 MPa in cold isostatic press thus pellets were produced. Pellets were sintered at 1300°C for 48h. Prepared samples were divided two groups, first of them was cooled in furnace and the second one was quenched. Thus, control experiment of the BaO-CeO2-GdO1.5 quasi-ternary phase diagram was completed. It was determined that BaGd2O4 is high temperature stable phase and it decomposes to BaCO3 and b-type Gd2O3. Small amount of gadolinium dissolves in barium oxide. Finally, samples were characterized with XRD and SEM/EDS thus quasiternary phase diagram of BaO-CeO2-GdO1.5 was constructed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    528303

    BaO-CeO2-SrO üçlü oksit sisteminde faz dengelerinin deneysel incelenmesi

    Experimental phase studies in the BaO-SrO-CeO2 oxide system

    HANİFİ ERAY KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK

  2. Tez No

    485179

    CaO-XO-CoO (X= Na, Ba, Sr, La) faz diyagramlarının tespiti ve termoelektrik özelliklerinin incelenmesi

    Determination of phase diagrams and investigation of thermoelectrical properties in CaO-XO-CoO (X= Na, Ba, Sr, La) systems

    ANIL DEMİRKESEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK

  3. Tez No

    869455

    THERMOCHEMISTRY AND PHASE DIAGRAM STUDIES IN THE Cu-In-Ga-SeSYSTEM

    Cu-In-Ga-Se Sisteminde Termokimya ve Faz Diyagramı Çalışmaları

    MUHSİN İDER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya MühendisliğiUniversity of Florida

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TİMOTHY J. ANDERSON

  4. Tez No

    801155

    The effects of explicit communication strategy instruction on EFL students' willingness to communicate in English

    İletişim stratejisi öğretiminin İngilizceyi yabancı dil olarak öğrenen öğrencilerin İngilizce iletişim kurma istekliliği üzerindeki etkisi

    ÖMER FARUK AKGÜN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Eğitim ve ÖğretimYeditepe Üniversitesi

    İngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ECE GENÇ YÖNTEM

  5. Tez No

    354944

    Gitar eğitiminde makamsal nitelikli eserlerin seslendirilmesine yönelik hazırlanan alıştırmaların performansa etkisi

    The effect of exercises prepared toward the vocalization of pieces with makam in guitar training on performance

    ALİ ÖZDEK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Eğitim ve ÖğretimErciyes Üniversitesi

    Müzik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYTEKİN ALBUZ

Geri Dön