Enhancing thermoelectric properties of n-type Mg3Sb2 Zintl phase through microstructure engineering
Mikrayapı Mühendisliği ile n tipi Mg3Sb2 Zintl fazlarının termoelektrik özelliklerinin geliştirilmesi
- Tez No: 611462
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Fosil yakıtlar gibi zararlı enerji kaynaklarının kullanılmasına bağlı dramatik sonuçlardan dolayı (hava kirliliği, küresel ısınma gibi) çevresel endişeler giderek büyümektedir. Son çalışmalar dünyada üretilen enerjinin %60'ının atık ısı olarak kaybedildiğini göstermektedir. Bu nedenle kayıp ısıyı toplamak küresel enerji sürdürülebilirliğini desteklemek için gelecek vadeden bir seçenek olmaktadır. Atık ısıyı enerjiye dönüştürebilen ya da enerjiden soğutma sağlayabilen termoelektrik malzemeler hem enerji üretimi hem de soğutma uygulamaları için araştırmacıların büyük ilgisini kazanmıştır. Termoelektrik malzemeleri kullanarak önemli miktarda enerji elde etmek için öncelikle boyutsuz termoelektrik değer katsayısı (zT) ile değerlendirilen termoelektrik verimlilik artırılmalıdır. zT, zT = α2σT/(κl+κe) olarak tanımlanmaktadır, α, σ, κl, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısını, elektrik iletkenliğini, örgül ısıl iletkenliğini, elektronik ısıl iletkenliğini ve sıcaklığı ifade etmektedir. Bu iletim özellikleri birbirine bağlı olduğundan dolayı ideal zT değerlerini elde etmek zorlayıcı olmaktadır. Zintl faz termoelektrik malzemeler ayarlanabilir elektronik iletim özellikleriyle yapılarından ötürü düşük ısıl iletkenliklerinden kaynaklı yüksek termoelektrik verimlilik göstermektedirler. Bunların arasında Mg3Sb2 n-tipi malzeme olarak yüksek zT değerinden dolayı son zamanlarda önemli ölçüde dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, Bi-Te ve nano bor (nB) ve karbon kaplanmış nano-bor (CnB) katkılarına ilaveten mikroyapı mühendisliği stratejilerinin n-tipi Mg3Sb2 malzemelerinin elektriksel ve termal iletimi özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Saf Mg3.2Sb2 and Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 tozları yüksek enerjili bilyeli öğütücü ve kıvılcımlı plazma sinterlemesi yöntemleri kullanılarak sentezlenmiştir. Malzemelerin termal iletimini düşürmek için eriyik-santrifüjleme yöntemiyle mikroyapıda fazladan fonon saçılma merkezleri olarak dislokasyon dizileri ve porlar oluşturulmuştur. Taramalı elekrton mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizlerine göre santrifüj sonrası, dislokasyon dizileri ve boşlukların oluşumu gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak, lazer flaş (LFA) tekniği kullanılarak ölçülen, malzemenin termal iletkenlik değerlerinde 0.98 W/Km'den 0.47 W/Km'e düşüş gözlemlenmiştir. Isıl işlem süresinin 1 saat uygulanması, Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesi için zT değerinin 1.2'den 1.67'ye kadar artmasına neden olmuştur. Fakat nB, CnB ve MgB2 katkılama çalışmaları termoelektrik özelliklerin geliştirilmesine olumlu katkı sağlamamıştır. Sonuç olarak, eriyik-santrifüjleme yöntemi Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesine ilk defa uygulanmış ve örgül dislokasyonlar ve boşluklu yapı oluşturmada başarılı olarak hem en yüksek zT hem de ortalama zT değerlerinde önemli miktarda artışa neden olmuştur. Boşluklu yapılı ve düşük yoğunluklu bu malzemeler tamamen yoğun benzer malzemeler kadar iyi termoelektrik verimlilik göstermektedir. Malzemenin daha hafif olması araçların egzoz sistemlerinden enerji toplanması gibi birçok termoelektrik uygulama için avantajlı ve tercih edilir olduğundan hazırlanan Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesi ticarileşme için büyük potansiyele sahip olabilir.
Özet (Çeviri)
Environmental concerns have been growing due to dramatic consequences (e.g., air pollution, global warming) of utilization of harmful energy sources such as fossil fuels. Recent studies indicate that more than 60% of energy produced in the world is lost as a form of waste heat. Therefore, harvesting waste heat would be one of the promising options to support the global energy sustainability. Thermoelectric materials, which directly convert heat to electricity or vice-versa, have gained great interests of researchers for both energy generation and refrigeration applications. To generate significant amounts of energy by using thermoelectric materials, first conversion efficiency should be increased, which is evaluated by the dimensionless figure of merit (zT). zT is defined as zT = α2σT/(κl+κe), where α, σ, κl, κe and T correspond to Seebeck coefficient, electrical conductivity, lattice thermal conductivity, electronic thermal conductivity and temperature, respectively. As these transport properties are interdependent, achieving optimum zT values is challenging. Zintl phase thermoelectric materials display high thermoelectric efficiencies stemming from their tunable electronic transport properties along with their inherently low thermal conductivities. Among them, Mg3Sb2 has recently attracted significant attention due to its high zT as an n-type material. In this thesis study, the electrical and thermal transport properties of n-type Mg3Sb2 were investigated through Bi, Te, nano-boron (nB) and carbon-coated nano-boron (CnB) doping as well as microstructure engineering strategies. Pure Mg3.2Sb2 and Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 powders have been synthesized by high energy ball milling and were sintered by spark plasma sintering technique. To decrease the thermal conductivity even further, melt-centrifugation method was applied to create dislocation arrays and porosity in the microstructure as additional phonon scattering centers. According to SEM and TEM analyses, porous microstructure and dislocation arrays were created by centrifugation method. Further, LFA measurements proved that thermal conductivity values were decreased from 0.98 W/Km to 0.47 W/Km. When heat treatment time increased to an hour, the zT value has increased from 1.2 to 1.67 for Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 compound. However, nB, CnB and MgB2 incorporation experiments didn't positively contribute to the enhancement of thermoelectric properties. Overall, the melt-centrifugation technique was applied on n-type Mg3.2Sb2 Zintl phase for the first time and was successful in creating lattice dislocations and a porous structure leading to substantial improvement in both peak and average zTs of Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01. This material with porous structure and lower density displays as good thermoelectric efficiency as the fully dense analogues. Since lightweight materials are preferable and advantageous for several thermoelectric applications including energy harvesting from a vehicle's exhaust system, as-prepared Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 material may have a great potential to commercialize.
Benzer Tezler
- Designing n-type zintl phases for thermoelectric power generation applications
N-tip zintl fazlarının termoelektrik enerji üretim uygulamaları için tasarımı
VERDA BERŞAN GENCELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UMUT AYDEMİR
- Organik maddelerle katkılandırılarak iletken polimerlerin termoelektrik özelliklerinin arttırılması
Enhancing thermoelectric properties of conductive polymers by filling with organic substances
VOLKAN UĞRAŞKAN
- Electronic, virational and transport properties of quasi-one dimensional transition metal dichalcogenide structures
Kuasi bir boyutlu geçiş metali dikalkojenit yapıların elektronik, titreşimsel ve taşınım özellikleri
ELİF ÜNSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALDUN SEVİNÇLİ
PROF. DR. RAMAZAN TUĞRUL SENGER
- Electric and magneto-transport properties of magnetic and superconductive iron pnictide and skutterudite compounds
Magnetik ve süperiletken demir pniktid ve skutterudit bileşiklerinin elektrik ve magneto-transport özellikleri
MURAT SERTKOL
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRHAN ÖNER
- Fabrication and characterization of pedot: PSS-based composite films
Pedot: PSS tabanlı kompozit filmlerin üretimi ve karakterizasyonu
ŞEYMA ÖZKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
KimyaDokuz Eylül ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YOLDAŞ SEKİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN GÜRLEK
