Farklı yakma esaslı sentez yöntemleri ile Ce0,80Sm0,20O1,90 elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of Ce0,80Sm0,20O1,90  electrolytes via different combustion based synthesis methods
Yazar: BURCU AYGÜN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Fosil kaynakları enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Çevre üzerindeki olumsuz etkilerinden dolayı, ihtiyaç duyulan enerjinin temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanması istenmektedir. Yakıt pilleri de alternatif sistemlere örnektir ve yakıt olarak genellikle hidrojen kullanmaktadır. Yakıt hücresi, yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren güç üretim sistemleridir. Yakıt pilleri, operasyon sıcaklıklarına basınçlarına, kullanılan yakıta, oksitleyici türüne, elektrolit malzemesine ve katalizör çeşidine göre farklı şekillerde sınıflandırılmaktadır. Buna rağmen, literatürde, elektrolit türüne göre yapılan sınıflandırma en çok kullanılmaktadır. Yakıt pilleri elektrolit türüne göre temelde 5 gruba ayrılmaktadır. Bunlar: Alkali yakıt hücresi (AYH), erimiş karbonatlı yakıt hücresi (EKYH), fosforik asit yakıt hücresi (FAYH), poli elektrolit membran yakıt hücresi (PEM) ve katı oksit yakıt hücresidir (KOYH). Yakıt hücrelerinin her birinin diğerlerine göre avantaj ve dezavantajları mevcutken, verim, enerji dönüşümü ve maliyet açısından KOYH'ler en çok dikkat çeken ve son zamanlarda üzerine birçok araştırmaların yapıldığı yakıt hücreleridir. Yüksek sıcaklık avantajlarıyla dikkat çeken bu sistemlerin geliştirilmesi için hücre komponentlerinde iyileştirilme çalışmaları gerekmektedir. Literatürdeki çalışmaların çoğu, katı oksit yakıt hücrelerinin operasyon sıcaklığını düşürebilmek amacıyla elektrolit malzemesinin geliştirilmesi üzerinedir. 
Katı oksit yakıt hücrelerinde en fazla tercih edilen ve kullanılan elektrolit YSZ (yitria stabilize zirkonya)'dir. Ancak yüksek iyonik iletkenliğine 1000°C civarında ulaşmaktadır. Operasyon sıcaklığını düşürebilmek amacıyla orta işletim sıcaklıklarında (600-800°C) yüksek iyonik iletkenlik gösteren florit yapıdaki CeO2 üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Orta sıcaklıkta CeO2 yapılarının iyonik iletkenliğini arttırmak amacıyla nadir toprak elementleri olan Sm (Samaryum), Gd (Gadolinyum), Nd (Neodimyum) gibi elementler yapıya katkılandırılmaktadır. Tek katkılı CeO2 yapılarının arasında en umut vaad eden Sm katkılı CeO2'dir (özellikle molce %20 Sm katkılı CeO2).
Bu tez çalışmasında, Sm katkılı serya tozları (Ce0.80Sm0,20O1,90) farklı yakıtlar kullanılarak yakma yöntemi ile hazırlanmıştır.  Pelletler sinterlendikten sonra yapısal ve iyonik iletkenlikleri XRD, yoğunluk ölçümü, SEM ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) analizi ile karakterize edilmiştir. Sentez yönteminin iyonik iletkenliği üzerine etkisi incelenmiştir ve test edilen yöntemler arasından en iyi olan tespit edilmiştir. Hazırlanan elektrolitler arasında en yüksek iyonik iletkenlik (800°C) ise TREG-nitrat yöntemi ile hazırlanan elektrolite ait olduğu saptanmıştır.

Abstract:
Fossil resources are used as an energy source. Due to the adverse impacts on the environment, it is desirable to provide the needed energy from clean and renewable energy sources. Fuel cells are also examples of alternative systems and usually use hydrogen as fuel. Fuel cells are power generation systems that convert the chemical energy of the fuel and oxidant directly into electrical energy. Fuel cells are classified according to operating temperatures, pressure, fuel, oxidant, electrolyte, and catalyst.  Although, in the literature, the classification according to the electrolyte type is mostly used. Fuel cells are basically divided into 5 groups according to electrolyte type. These: Alkaline fuel cell (AFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), polyelectrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and solid oxide fuel cell (SOFC). While fuel cells have advantages and disadvantages compared to each other, SOFCs are the most remarkable fuel cells in terms of efficiency, energy conversion and cost, and have recently conducted many researches. Improvement of cell components is required for the development of these systems, which attract attention with high temperature advantages. Most of the studies in the literature is about the development of electrolyte materials in order to reduce the operating temperature of solid oxide fuel cells.
The most preferred and used electrolyte in solid oxide fuel cells is YSZ (ytria stabilized zirconia). However, it has a high ionic conductivity of around 1000°C. In order to decrease the operating temperature, studies on fluorite-structured CeO2 with high ionic conductivity at intermediate operating temperatures (600-800°C) are being carried out. In order to increase the ionic conductivity of CeO2 structures at intermediate temperature, rare earth elements such as Sm (Samarium), Gd (Gadolinium)and Nd (Neodymium) are added to the structure. Among the single-doped CeO2 structures, the most promising Sm-doped CeO2 (especially 20% Sm-doped CeO2).
In this thesis study, Sm doped ceria powders (Ce0.80Sm0.20O1.90) were prepared via combustion method by using different fuels. After the pellets were sintered, their structural and ionic conductivities were characterized by XRD, density measurement, SEM, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis. The effect of the synthesis method on the ionic conductivity was investigated and the best one among the tested methods was determined. The highest ionic conductivity (800°C) among the prepared electrolytes was found to belong to electrolyte prepared TREG-nitrate metod.