Samaryum katkılı seryum oksit-alkali karbonat nanokompozit katı oksit yakıt elektrolitlerinin soğuk sinterleme yöntemi ile üretilmesi
Fabrication of samarium-doped cerium oxide-alkali carbonate nanocomposite solid oxide fuel cell electrolytes by cold sintering method
- Tez No: 935512
- Danışmanlar: PROF. DR. UĞUR ÖZSARAÇ, PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Seramik Mühendisliği, Science and Technology, Energy, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Bu çalışmada, samaryum katkılı serya (SDC) ile çeşitli alkali karbonat (Li₂CO₃, LiNaCO3 ve K₂CO₃) bileşikleri içeren nanokompozit elektrolitlerin soğuk sinterleme (CSP) yöntemi ile üretimi ve elektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasında CSP tekniği, sinterleme sıcaklığını kayda değer bir şekilde azaltılrken, yüksek iyonik iletkenliğe ulaşmak amacıyla üretilmesi amaçlanan kritik nano ölçekli yapıyı koruyarak daha yüksek yoğunluk değerini elde edilebilmesi için kullanılmıştır. Farklı sinterleme parametrelerinin (sıcaklık, basınç, süre ve su içeriği) mikroyapı ve yoğunluk üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. SDC-Li₂CO₃ nanokompozitleri CSP ile 250 °C'de % 88 teorik yoğunluk değerine sinterlenmiş. Ancak bu yoğunluk değeri verimli çalışan bir KOYH için eşik değeri olan % 92'nin altında kalmıştır.SDC-K₂CO₃ nanokompozitleri için 200 °C sıcaklık, 600 MPa basınç altında % 95 teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. Yoğunlaşma mekanizmasının, yüksek çözünürlük limiti ve plastik deformasyon mekanizmalarının etkisiyle hızlandığı belirlenmiştir. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analizleri, bu kompozitin yüksek iyonik iletkenlik gösterdiğini doğrulamaktadır. Ancak, yakıt hücresi performans değerlendirmeleri sonucunda elektrot dirençlerinin hala iyileştirilmesi gerektiği görülmüştür. Elektriksel ölçümler sonucunda 600 ℃'de 0.019 S.cm-1 gibi literatürün üstünde bir iletkenlik değeri elde edilmiştir. Li₂CO₃ ve Na₂CO₃ kullanılarak hazırlanan LiNaCO3 ötektik bileşime sahip tuzlardan SDC-LiNaCO₃ nanokompozitleri üretilmiştir. Soğuk sinterleme parametreleri optimize edilerek 600 MPa basınç ve 250 °C sıcaklık altında % 95 teorik yoğunluğa ulaşılmıştır. Ayrıca, iletkenlik ölçümleri sonucunda, elektrolitin 600 °C'de yaklaşık 45 mS.cm-1 iletkenlik değerine ulaştığı belirlenmiştir ki bu da orta sıcaklıkta çalışan yakıt hücreleri için uygun olduğunu göstermektedir. Bu çalışmada, CSP kullanılarak düşük sıcaklıklarda (~250 °C) yüksek yoğunluklu (% 95'e kadar) SDC-alkali karbonat nanokompozit elektrolitleri başarıyla üretilmiş ve seramik-karbonat arayüzünde var olduğu varsayılan süperiyonik yolların varlığı incelenmiştir. Her ne kadar süperiyonik arayüzeyin varlığına kesin kanıt elde edilememişse de nihai iletkenliği SDC ve karbonat fazlarının ayrı ayrı iletkenliklerinde yüksek bulunması ile sinerjik bir etkinin varlığı saptanmıştır. Bu tez, düşük sıcaklıkta üretilen nanokompozit elektrolitlerin potansiyelini ortaya koyarak, soğuk sinterleme teknolojisinin yakıt hücreleri ve diğer iyonik iletken malzemeler için uygulanabilirliğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, the production and electrochemical characterization of nanocomposite electrolytes containing samarium-doped ceria (SDC) and various alkali carbonate (Li₂CO₃, LiNaCO3 and K₂CO₃) compounds by cold sintering (CSP) method were carried out. In this thesis, the CSP technique has been used to achieve higher density values while significantly reducing the sintering temperature, thereby preserving the critical nanoscale structure intended to achieve high ionic conductivity. The effects of different sintering parameters (temperature, pressure, time and water content) on the microstructure and density were investigated in detail. 88 % theoretical density value was reached by cold sintering process at temperatures up to 250 °C for SDC-Li₂CO₃ nanocomposites. However, this density value could not above the 92 % threshold dencity value for an efficient SOFC. 95 % theoretical density was reached for SDC-K₂CO₃ nanocomposites at 200 °C temperature and 600 MPa pressure. It was determined that the densification mechanism was accelerated due to the high solubility limit and plastic deformation mechanisms of the carbonate phase. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses confirmed that this composite exhibits high ionic conductivity. However, fuel cell performance evaluations show that electrode resistances still need to be improved. Electrical measurements showed that a conductivity value of 0.019 S.cm-1 at 600 ℃, which was above the literature, was obtained. SDC-LiNaCO₃ nanocomposites were prepared from Li₂CO₃ and Na₂CO₃ eutectic compositions. By optimizing cold sintering parameters, 95 % theoretical density was achieved under 600 MPa pressure and 250 °C temperature. In addition, conductivity measurements showed that the electrolyte reached a conductivity value of approximately 45 mS.cm-1 at 600 °C, indicating that it is suitable for fuel cells operating at medium temperatures. In this study, high density (up to 95 %) SDC-alkali carbonate nanocomposite electrolytes were successfully produced at low temperatures (~250 °C) using cold sintering method. Additionally, the presence of superionic pathways, which are assumed to exist at the ceramic-carbonate interface, was also investigated in this study, and their existence was confirmed in accordance with the high electrochemical performance obtained, consistent with the literature. This thesis demonstrates the potential and applicability of cold sintering technology for the densification of nanocomposite electrolyte and other ionic conductive materials.
Benzer Tezler
- Sitrat nitrat yöntemiyle seryum oksit esaslı elektrolit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of cerium oxide based electrolyte materials by citrate nitrate method
EMİNE ELİF OCAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
- Cold sintering of sm doped ceria - sodium carbonate nanocomposite electrolytes for sofc applications
Koyh uygulamaları için sm katkılı seryum – sodyum karbonat nanokompozit elektrolitlerin soğuk sinterlenmesi
MURAT MURUTOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Bilim ve TeknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
- Ionic conduction mechanisms in nano-composite electrolyte and their relationship to micro-structural features
Nano-bileşik elektrolitlerde iyonik iletkenlik mekanizması ve mikroyapısal özelliklerle ilişkisi
SHALİMA SHAWUTİ
Doktora
İngilizce
2014
Seramik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLGÜN
- Katı oksit yakıt pillerinde LSGM-BSCF ve LSGM-SCF ara yüzey termokimyası
Interfacial thermochemistry between LSGM-BSCF and LSGM-SCF in solid oxide fuel cell
YELİZ EKİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ALİ GÜLGÜN
YRD. DOÇ. DR. NURİ SOLAK
- Protonik seramik yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere yeni tip elektroseramiklerin üretilmesi ve yapılarının karakterizasyonu
The production of new types of electroceramics to be used in protonic ceramic fuel cells and the characterization of their structure
ÇİĞDEM ÇELEN YÜZER
Doktora
Türkçe
2021
EnerjiMersin ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR YILMAZ