Designing Mg3(Sb,Bi)2 and MgAgSb for low- and mid-temperature thermoelectric applications
Düşük ve orta sıcaklık termoelektrik uygulamalarına yönelik Mg3(Sb,Bi)2 ve MgAgSb malzemelerinin tasarımı
- Tez No: 916029
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 186
Özet
Çevre kirliliği, küresel ısınma ve sera gazı emisyonlarıyla ilgili artan endişelere karşılık, birçok ülke 2050 yılına kadar net sıfır emisyon hedefini gerçekleştirmeye çalışmaktadır. Üretilen enerjinin yaklaşık %60'ının atık ısı olarak kaybedildiği göz önüne alındığında, termoelektrik (TE) malzemeler, bu atık ısının elektriğe dönüştürülmesi için umut verici bir çözüm sunmaktadır. Termoelektrik malzemelerin dönüşüm verimliliği, boyutsuz termoelektrik performans katsayısı zT = S²σT/(κl+κe) ile ifade edilir; burada S, σ, κl, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik, kafes ısıl iletkenliği, elektronik ısıl iletkenlik ve sıcaklıktır. Yüksek zT değerlerine ulaşmak, bu iletim özelliklerinin birbirine bağlı doğası nedeniyle zorludur. Bu tezin ilk bölümü, düşük sıcaklıklar için Nb katkılı Mg3Sb2-Mg3Bi2 katı çözeltilerinin sentezi, karakterizasyonu ve iletim özelliklerinin değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Tane sınırı yapısı fenomeni ve bunun iletim özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Tane sınırlarında oluşan yüklü alan bölgesi sonucunda, tane sınırı bölgesindeki iletim bariyeri düşürülmüş ve yük taşıyıcıların saçılması engellenmiştir. Düşük ısıl iletkenliği, düşük direnç değerleri ve yüksek taşıyıcı hareketliliği ile birlikte, özellikle düşük sıcaklıklarda yüksek zT değerlerinin elde edilmesine katkıda bulunmuştur. Orta sıcaklık uygulamaları için, enerji filtreleme etkisinden esinlenerek MgB2'nin Mg3(Sb,Bi)2 sisteminin termoelektrik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Taşıyıcı konsantrasyonunda önemli değişim olmamasına rağmen, kompozit malzemelerde Seebeck katsayısında önemli bir artış gözlemlenmiştir. Bu fenomen, taşıyıcıların seçici olarak saçıldığı enerji filtrelemesinden kaynaklanmaktadır. MgB2 ilavesi, elektronik bileşenin ısıl iletkenliğini azaltarak 673 K'de düşük bir κ değeri elde edilmektedir. Yüksek Seebeck katsayısı düşük ısıl iletkenlikle birlikte, yüksek zT değerlerine katkıda bulunmaktadır. Bu tezin ikinci bölümü, polikristalin MgAg0.97Sbx (x = 1, 0.995, 0.975) malzemelerinin sentezi, karakterizasyonu ve termoelektrik performansına odaklanmaktadır. DSC analizi, yaklaşık 588 K'de (α- ve β-MgAgSb arasında) ve 655 K'de (β- ve γ-MgAgSb arasında) faz geçişlerini göstermektedir. Kristal yapı stabilitesini ve iletim özelliklerini iyileştirmek için β-MgAgSb fazını ortadan kaldırmak amacıyla ek bir ısıl işlem adımı uygulanmıştır. Sb içeriğinin elektronik iletim özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sinterleme ve ısıl işlem parametreleri üzerine yapılan çalışmalar, Mg-Ag yer değiştirme kusurları ve gerilme kaynaklı kusurların termoelektrik davranışı etkilediğini göstermiştir. Yüksek Seebeck katsayıları, yüksek Hall ve ağırlıklı hareketlilikler ile düşük kafes ısıl iletkenliği sonucunda 330 K'de 0.82 zT değeri elde edilmiştir. Ayrıca, çeşitli katkı maddelerinin (Mg konumunda Y ve Nb, Ag konumunda Zn ve Co, Sb konumunda Ge ve Te) etkisi araştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
In response to growing concerns over environmental pollution, global warming, and greenhouse gas emissions, many countries are striving to achieve net-zero emissions by 2050. Given that approximately 60% of the energy produced is lost as waste heat, thermoelectric (TE) materials present a promising solution for converting this waste heat into electricity. The conversion efficiency of thermoelectric materials is quantified by the dimensionless thermoelectric figure of merit, zT = S2σT/(κl+κe), where S, σ, κl, κe and T are the Seebeck coefficient, electrical conductivity, lattice thermal conductivity, electronic thermal conductivity and temperature, respectively. Achieving high zT values is challenging due to the interdependent nature of these transport properties. The first part of this thesis focuses on the synthesis, characterization, and transport property evaluation of Nb incorporated Mg3Sb2-Mg3Bi2 solid solutions for low temperatures. The grain boundary complexion phenomena and its effects on transport properties were investigated. As a result of a space charge region formed in grain boundaries, the conduction barrier in grain boundary region was lowered and scattering of charge carriers was inhibited. The achievement of low thermal conductivity coupled with low resistivity values and elevated carrier mobility, contributed to the attainment of high zT values, particularly in low-temperature regimes. For mid-temperature applications, the effectiveness of MgB2 incorporation on the thermoelectric properties of Mg3(Sb,Bi)2 system was investigated, inspired by the energy filtering effect. Despite negligible changes in carrier concentration, a significant increase in the Seebeck coefficient of composite materials is observed. This phenomenon is attributed to energy filtering, where carriers are selectively scattered. The addition of MgB2 induces a reduction in the electronic component of thermal conductivity, resulting in a low κ value at 673 K. The achievement of a high Seebeck coefficient, coupled with low thermal conductivity, contributes to high zT values. The second part of this thesis focuses on the synthesis, characterization, and thermoelectric performance of polycrystalline MgAg0.97Sbx (x = 1, 0.995, 0.975) materials. DSC analysis revealed phase transitions at approximately 588 K (α- to β-MgAgSb) and 655 K (β- to γ-MgAgSb). An additional annealing step was incorporated to eliminate the β-MgAgSb phase, improving the crystal structure stability and transport properties. The impact of Sb content on electronic transport characteristics was investigated. Further studies on sintering and annealing parameters revealed that Mg-Ag anti-site defects and strain-induced defects influence thermoelectric behavior, with high Seebeck coefficients, high Hall and weighted mobilities, and low lattice thermal conductivity, resulting in a zT of 0.82 at 330 K. Additionally, the effect of various dopants (Y and Nb on the Mg site, Zn and Co on the Ag site, and Ge and Te on the Sb site) was investigated.
Benzer Tezler
- Prototip 3 eksenli CNC freze tasarımı ve uygulaması
Designing and manufacturing of a prototype 3 axis CNC milling machine
ÖMER KARABEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiCumhuriyet ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET AKKUŞ
- Hafif raylı sistemlerde lazerli engel algılayıcı sistem tasarımı
Designing a laser-based obstacle detection system for light rail transportation systems
SONAY GÖRGÜLÜ BALCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKırıkkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT LÜY
DOÇ. DR. ERTUĞRUL ÇAM
- İnsansız hava araçlarında alternatif yakıt sistem tasarımı
Designing alternative fuel system for unmanned aerial vehicle
DUYGU ALTIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
EnerjiKırıkkale ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEM KAMİL YILDIRIM
- Designing secure mobile messaging over the internet
İnternet üzerinden güvenli mobil mesajlaşma tasarımı
BURAK KOCUROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. İBRAHİM KÖRPEOĞLU
- Protein katlanma yolaklarının engellenmesiyle kanser mekanizmasının inhibe edilmesi için Hsp70 substrat bağlanma bölgesine spesifik inhibitör dizaynı.
Designing specific Hsp70 substrat binding domain inhibitor for perturbing protei̇n folding pathways to inhibit cancer mechanism.
KÜBRA AÇIKALIN COŞKUN
Doktora
Türkçe
2016
BiyokimyaGaziosmanpaşa ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSA GÖKÇE
PROF. DR. YUSUF TUTAR