Developing high-efficiency ternary thermoelectric phosphides in the systems Ca-Ag-P and Ca-Cu-P
Ca-Ag-P ve Ca-Cu-P sistemlerinde yüksek verimli üçlü termoelektrik fosfitlerin geliştirilmesi
- Tez No: 880043
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
XIX. yüzyılda Seebeck, Peltier ve Thomson tarafından termoelektrik (TE) etkisinin keşfedilmesinden bu yana, termoelektrik hem temel bilim hem de endüstriyel nedenlerden dolayı büyük ilgi görmüştür. Günümüzde bu ilgi, dünya çapında giderek artan enerji talebi ve buna eşlik eden, zararlı sera gazlarının emisyonuna bağlı çevresel kaygılar nedeniyle yeniden canlanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında termoelektrik, yalnızca atık ısının toplanmasıyla değil, aynı zamanda ticari buzdolapların yerini almasıyla da öne çıkıyor. Üretilen enerjinin yaklaşık üçte ikisinin atık ısı olarak kaybolduğu göz önüne alındığında, bu çok yönlü teknoloji, ısıyı elektriğe veya elektriği ısıya dönüştürdüğü için oldukça kullanışlıdır. Belirli bir malzemenin termoelektrik verimliliği, α, σ, κl, κe ve T'nin Seebeck katsayısına, elektriksel iletkenliğe, kafes termal iletkenliğine, elektronik termal iletkenliğe ve sıcaklığa karşılık geldiği 𝑧𝑇= 𝛼2𝜎𝑇/(𝜅𝑙+𝜅𝑒) olarak tanımlanan boyutsuz termoelektrik değer zT aracılığıyla ölçülür. Belirli bir sıcaklıkta zT değeri ne kadar yüksek olursa modülün termoelektrik verimliliği de o kadar yüksek olur. Dolayısıyla termoelektrikte aşılması gereken zorluk açıkça malzemedir: iyi bir termoelektrik malzeme, Joule etkisi yoluyla ısı kayıplarını en aza indirmek için düşük elektrik direncine, termoelektrik etkiyi maksimuma çıkarmak için yüksek termo güce ve termokuplın her iki taraf arasında yeterince büyük bir sıcaklık gradyanını korumak için düşük termal iletkenliğe sahip olmalıdır. Üçlü fosfitler (CaAgP ve CaCuP) stabildir ve umut verici termoelektrik özellikler sergileyebilir. Bugüne kadar bu malzemeler büyük ölçüde keşfedilmemiştir, ancak son teorik çalışmalar bunların yüksek termoelektrik verimlilikleri olabileceğini ortaya koymaktadır. Bu tez çalışmasında, p-tipi CaAgP ve CaCuP malzemelerin elektriksel ve termal taşınım özellikleri Zn, Na, Sn, nano-bor (nB) ve La katkılaması yoluyla araştırılmıştır. CaAgP ve CaCuP tozları yüksek enerjili bilyalı öğütme yoluyla sentezlenmiş ve kıvılcım plazma sinterleme tekniği ile sinterlenmiştir. Katkı maddeleri aynı sentez işlemleri uygulanarak malzemelere dahil edilmiştir. Ayrıca sinterleme işleminin ardından belirli numunelere tavlama işlemleri de yapılmıştır. Bu çok kristalli malzemelerin detaylı kimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. İstenilen saflık ve bileşimde elde edilen malzemelerin termoelektrik incelemeleri tamamlanmıştır. Termoelektrik açıdan umut vaat eden numunelerin mekanik özellikleri ölçülmüştür. CaAgP ve CaCuP'nin dielektrik sabitinin ölçümleri ve termoelektrik modelleme de Kore'de ki çalışma partnerlerimiz tarafından gerçekleştirildi. Kendinden katkılı CaAg0.90P numunesi, 823 K'de yaklaşık 0,33'lük en yüksek zT değerine ulaşmıştır; ilave katkılama deneyleri CaAgP bileşiğindeki zT değerlerini daha da arttırmakta başarısız olmuştur. Dikkat çekici bir şekilde, %0.05 atomik nano bor katkılı numune, Ca-Ag-P sistemi içindeki maksimum sertliği göstermiştir. CaCuP sisteminde zT değeri önemli ölçüde iyileşmiş ve Zn katkılı ve tavlanmış Ca1.05Cu0.95P-Zn0.05 malzemesi için zT, 823 K'de 0,37'den 0,45'e yükselmiştir. Ek olarak, nano bor ve çinkonun dahil edilmesi yalnızca zT değerlerini arttırmakla kalmamış, aynı zamanda CaCuP ve CaAg0.90P mikro yapılarının mekanik özelliklerini de geliştirmiştir. Bu bulgular, yeni termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi ve uygulamalarına önemli ölçüde katkıda bulunacak üçlü fosfitler üzerinde ayrıntılı deneysel ve hesaplamalı çalışmaların önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
Since the discovery of the thermoelectric (TE) effect by Seebeck, Peltier, and Thomson in the XIXth century, thermoelectricity has attracted significant attention for both fundamental science and industrial applications. Nowadays, this interest has been rejuvenated by the ever-growing worldwide energy demand and the concomitant environmental concerns tied to the emission of pernicious greenhouse gases. Among renewable energy sources, thermoelectricity stands out for not only waste-heat harvesting but also for being replaced by commercial refrigerators. Considering that about two-thirds of the energy produced is lost as waste heat, this versatile technology is quite useful as it converts heat into electricity and vice-versa. The thermoelectric efficiency of a given material is quantified through the dimensionless thermoelectric figure of merit, zT, defined as zT= α2σT/(κl+κe) where α, σ, κl, κe and T correspond to the Seebeck coefficient, electrical conductivity, lattice thermal conductivity, electronic thermal conductivity, and temperature, respectively. The higher the zT value at a given temperature, the higher the thermoelectric efficiency of the module. The challenge to overcome in thermoelectricity is thus clearly material: a good thermoelectric material should possess low electrical resistivity to minimize heat losses through Joule effect, high thermopower to maximize the thermoelectric effect, and low thermal conductivity to maintain a temperature gradient large enough between either side of the thermocouple. Ternary phosphides (CaAgP and CaCuP) are stable and can exhibit promising thermoelectric properties. To date, these materials have remained largely unexplored, but recent theoretical studies demonstrate their high predicted thermoelectric efficiencies. In this thesis study, the electrical and thermal transport properties of p-type CaAgP and CaCuP materials were investigated through Zn, Na, Sn, nano-boron (nB), and La doping. CaAgP and CaCuP powders have been synthesized by high-energy ball milling and were sintered by spark plasma sintering technique. The dopants were introduced to the materials by applying the same synthesis processes. Additionally, annealing procedures were performed on certain samples following the sintering process. Detailed chemical characterization of these polycrystalline materials has been carried out. Thermoelectric examinations of the materials obtained in the desired purity and composition have been completed. The mechanical properties of thermoelectrically promising samples were measured. The measurements of the dielectric constant of CaAgP and CaCuP, and thermoelectric modeling were also conducted by the Korean partner. The intrinsically doped CaAg0.90P sample achieved the highest zT value of approximately 0.33 at 823 K, with additional dopants failing to further enhance zT values in the CaAgP compound. Notably, the sample doped with 0.05 at.% nano boron demonstrated the maximum hardness within the Ca-Ag-P system. In the CaCuP system, the zT value improved significantly, increasing from 0.37 to 0.45 at 823 K for the Zn-doped and annealed Ca1.05Cu0.95P-Zn0.05 sample. Additionally, the inclusion of nano boron and zinc not only enhanced zT values but also improved the mechanical properties of the CaCuP and CaAg0.90P microstructures. These findings underscore the importance of detailed experimental and computational studies on ternary phosphides, which can substantially contribute to the development of new thermoelectric materials and their applications.
Benzer Tezler
- PEM yakıt hücresi katodunda kullanılmak üzere platin bazlı üçlü katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of electrocatalytical properties of platinum based ternary catalysts in order to be used at the cathode of a PEM fuel cell
SİLVER GÜNEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F. ÇİĞDEM GÜLDÜR
- Experimental phase studies in the BaO-CeO2-Gd2O3 system
BaO-CeO2-Gd2O3 sisteminde deneysel faz çalışmaları
ÇAĞRI ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- 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
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Fabrication of lightweight and durable thermoplastic composites for injection molding with the integration of waste-driven reinforcing materials
Atıklardan elde edilen katkı malzemelerinin entegrasyonu ile hafif ve dayanıklı termoplastik kompozitlerin enjeksiyon kalıplama için üretimi
KURAY DERİCİLER
Doktora
İngilizce
2023
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ile tufalden demir esaslı kompozit (Mo2FeB2-Fe) üretimi
Production of iron based composite (Mo2FeB2-Fe) from scale by self propagating high temperature synthesis
BUSE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN