Tuning the thermoelectric properties of skutterudite phase (CoSb3) by melt-centrifugation & incorporation of InSb and carbon-coated nano boron
Eriyik-santrifüj tekniği ve InSb ve karbon-kaplı nano bor katkısı ile skutterudite fazının (CoSb3) termoelektrik özelliklerinin optimizasyonu
- Tez No: 687552
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Günümüz dünyasında klasik enerji rezervleri hızla tükenmekte ve bu kaynakların kullanımı ile küresel ısınmanın ilerlemesi ve hava kirliliği gibi istenmeyen sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Son araştırmalar, dünyada üretilen enerjinin %60'ından fazlasının atık ısı formunda kaybolduğunu göstermektedir. Bu nedenle, atık ısının geri kazanımı, sürdürülebilir enerji çözümlerine katkıda bulunmak için umut verici seçeneklerden biri olarak düşünülmektedir. Bu amaçla ısıyı doğrudan elektriğe (veya tam tersine) çeviren termoelektrik malzemeler araştırmacılar arasında önemli ilgi görmüştür. Termoelektrik jeneratörler, elektrik enerjisi üretmek için girdi olarak ısı enerjisini (sıcaklık gradyanı) kullanırlar. Hareketli parçası olmayan, sessiz ve ölçeklendirilebilir katı hal cihazlarıdır, bu da onları güç üretimi için ideal kılar. Termoelektrik malzemeleri kullanarak önemli miktarda enerji üretmek için öncelikle boyutsuz termoelektrik değer katsayısı zT ile değerlendirilen termoelektrik dönüşüm verimliliği arttırılmalıdır. zT, zT = α2σT/(κlat+κe), olarak tanımlanır; burada α, σ, κlat, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısına, elektriksel iletkenliğe, örgül ısıl iletkenliğine, elektronik ısıl iletkenliğine ve sıcaklığa karşılık gelir. Bu iletim özellikleri çoğunlukla birbirine bağlı olduğundan, optimum zT değerlerine ulaşmak zordur. Skutteruditeler (CoSb3 ya da Co4Sb12), boşluk yapılarındaki hareketli dolgu atomlarıyla ilişkili düşük ısı iletkenlikleri ile birlikte yüksek elektronik iletim özellikleri sayesinde orta-yüksek sıcaklıklarda çalışan umut verici termoelektrik malzemelerdir. Bu tezde, n-tipi Yb dolgulu Co4Sb12'nin eriyik santrifüjleme, karbon kaplı nano bor ve InSb eklemeleri gibi mikroyapı mühendisliği stratejileri uygulandıktan sonra elektriksel ve ısıl iletim özellikleri araştırılmıştır. Analiz edilecek malzemeleri elde etmek için katı hal sentezi, yüksek enerjili bilyalı öğütme (mekanokimyasal sentez) ve ardından kıvılcım plazma sinterleme teknikleri kullanılmıştır. Isıl iletkenliği azaltmak için ek fonon saçılma merkezleri olarak dislokasyon dizileri ve porozite oluşturulması ilk kez bu çalışmada eriyik santrifüj yöntemi ile denenmiştir. Ne yazık ki, eriyik santrifüjleme deneyleri, Bi2Te3 ve Mg3Sb2 gibi diğer anizotropik malzemelerin aksine bu izotropik sistem için artan zT değerleri ile sonuçlanmamıştır. Elde edilen gözenekli ve dolayısıyla hafif malzemeler modül uygulamaları için hala umut vericidir. Elektronik taşımayı geliştirmek, ısıl iletkenliği azaltmak, böylece zT değerlerini artırmak için, Yb0.4Co4Sb12 fazına karbon-kaplı nano bor (CnB) ve InSb eklemeleri uygulanmıştır. Ağırlıkça %0.1 CnB katkılı Yb0.4Co4Sb12 numunesi ve ağırlıkça %1 ve ağırlıkça %1.5 InSb katkılı Yb0.4Co4Sb12 numuneleri için yaklaşık 1.3 ve 1.5 civarında en yüksek zT değerleri elde edilmiştir. Bu değerler, işlenmemiş skutterudite fazından sırasıyla %30 ve %50 daha yüksektir. zT değerlerindeki iyileştirmenin yanı sıra, CnB ve InSb'nin Yb0.4Co4Sb12 mikroyapısına eklenmesiyle mekanik özellikler de iyileştirilmiştir. InSb ve CnB ilavelerinin, skutteruditelerin termoelektrik performansını arttırmada oldukça başarılı olduğu bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
In today's world, classical energy reserves are being depleted rapidly and unwanted results such as the progression of global warming and air pollution arise with the use of these resources. Recent studies indicate that more than 60% of the energy produced in the world is lost as a form of waste heat. Therefore, harvesting waste heat is considered as one of the promising options for contributing sustainable energy solutions. For that purpose, thermoelectric materials, which directly convert heat to electricity (or viceversa), have gained a significant interest among researchers. The thermoelectric generators use heat energy (temperature gradient) as input to produce electrical energy. They are silent and scalable solid-state devices with no moving parts making them ideal for power generation applications. To generate significant amount 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/(κlat+κe), where α, σ, κlat, κe and T correspond to Seebeck coefficient, electrical conductivity, lattice thermal conductivity, electronic thermal conductivity, and temperature, respectively. Since these transport properties are mostly interdependent, achieving optimum zT values is challenging. The skutterudites (CoSb3 or Co4Sb12) are promising thermoelectric materials, operating at mid-to-high temperatures, due to their high electronic mobility combined with low thermal conductivity which is associated with the rattling filler atoms in the void sites. In this thesis, the electrical and thermal transport properties of n-type Yb filled Co4Sb12 were investigated after applying microstructure engineering strategies such as melt-centrifugation, carbon-coated nano boron and InSb incorporations. Solid-state synthesis, high energy ball milling (mechanochemical synthesis) and then spark plasma sintering techniques were employed to obtain the materials to be analyzed. To reduce the thermal conductivity, dislocation arrays and porosity as additional phonon scattering centers were intended to be created for the first time in this study by the melt-centrifugation method. Unfortunately, melt-centrifugation experiments did not result in increased zT values for this isotropic system as opposed to other anisotropic materials such as Bi2Te3 and Mg3Sb2. As-obtained porous and thus lightweight materials are still promising for the module applications. To enhance the electronic transport, reduce the thermal conductivity, thus, increase the zT values, incorporations of carbon-coated nano boron (CnB) and InSb to Yb0.4Co4Sb12 phase were then studied. The highest zT values of around 1.3 and 1.5 were obtained for 0.1 wt.% CnB added Yb0.4Co4Sb12 sample and 1 wt.% and 1.5 wt.% InSb added Yb0.4Co4Sb12 samples, respectively. These values are 30 % and 50 % higher than the untreated skutterudite phase, respectively. Besides the enhancement in zT values, mechanical properties were also improved with the additions of CnB and InSb into the Yb0.4Co4Sb12 microstructure. The additions of InSb and CnB were found to be quite successful in boosting up the thermoelectric performance of the skutterudites.
Benzer Tezler
- Effect of grain boundary & interface modification on thermoelectric properties at high temperature
Tane sınırı ve arayüz modifikasyonun yüksek sıcaklık termoelektrik özelliklerine etkisi
PINAR KAYA
Doktora
İngilizce
2017
EnerjiAnadolu ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET TURAN
PROF. DR. JOACHIM MAIER
- Vakum ortamında, düşük sıcaklıklı, taranabilen harici optik geri beslemeli diyot lazer sistemi platformunun tasarlanması, kurulması ve çalıştırılması
Desinging, establishing and working tunable external cavity diode lazer system platform with optical feedback under low temperature and vacuum
BÜLENT HARUN KILIÇ
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiMersin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN MUTLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM KÜÇÜKKARA
- Isı borusu tabanlı bir atık ısı geri kazanım uygulaması
A heat pipe based waste heat recovery application
OYA YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
- İkili sınıflandırma problemlerinde çok katmanlı algılayıcı ve destek vektör makineleri sınıflandırıcılarının hiperparametrelerinin en iyilenmesi
Tuning the hyperparameters of multilayer perceptron and support vector machines classifiers in binary classification problems
WISAM SALEM ALI ZANBIL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKastamonu ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL AKYOL
- Tuning the resonances of high q-factor whispering gallery mode resonators for optoelectronic applications
Optoelektronik uygulamalar için yüksek k-faktörlü optik mikrorezonatörlerin rezonant modlarinin değiştirilmesi
ERSİN HÜSEYİNOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BÜLEND ORTAÇ
DR. AYKUTLU DANA