Sitrat nitrat yöntemiyle seryum oksit esaslı elektrolit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of cerium oxide based  electrolyte materials by citrate nitrate method
Yazar: EMİNE ELİF OCAKCI
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrolitler = Electrolytes ; Kalsiyum oksit = Calcium oxide ; Seryum dioksit = Cerium dioxide ; Stronsiyum oksit = Strontium oxide

Özet:
Ülkemizde ve dünyada giderek artan enerji ihtiyacı sebebiyle alternatif enerji üretim yöntemleri giderek önem kazanmaktadır. Bu bağlamda katı oksit yakıt hücreleri (KOYH) hidrojen ve hidrokarbonların direkt olarak elektrik enerjisine çevrilmesinde yüksek verimleri, büyük kapasiteli kullanımları ve yerleşik elektrik üretim tesislerine kıyasla daha çevreci olması nedeniyle önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Katı oksit yakıt hücresinde kritik öneme sahip iyonik iletkenliğin sağlandığı elektrolit yapıları üzerine birçok araştırma yapılmış ve YSZ (yitriyum katkılı zirkonya), SDC (samaryum katkılı serya), GDC (gadolinyum katkılı serya) ve LSGM (stronsiyum ve magnezyum katkılı lantan gallat) gibi yapıların 600-1000°C arasında yüksek iyonik iletkenlik gösterdiği saptanmıştır. Ancak YSZ yüksek iyonik iletkenlik sağlayabilmek için diğer elektrolitlerden daha yüksek çalışma sıcaklığı gerektirmektedir (>800°C). SDC, GDC, LSGM gibi elektrolitlerin ise nadir toprak metal oksit kullanımı nedeniyle maliyetleri yüksek olmaktadır. Bu nedenle araştırmalar alternatif elektrolit yapıları üzerine yoğunlaşmıştır.
Literatürde Ca, Sr ve Mg gibi toprak alkali metallerin CeO2 içerisine katkılanması ile yüksek iyonik iletkenlik elde edilebileceği ortaya konmuştur. Ayrıca Sm'nin yanına belirli miktarlarda eklenmeleri ile performansın arttırabileceği de belirtilmiştir. Ancak yapılan çalışmalarda bu komponentlerin çözünürlük limiti, ikili katkılamalar sonucu iyonik iletkenlikleri ve hücre performansları neredeyse hiç incelenmemiştir.
Bu tez çalışmasının amacı, CeO2 fazına katkılanan ve maliyetli olan nadir toprak elementlerine (Sm, Gd, Nd)  alternatif olarak iyon-iletim performansında kayba uğramadan ve ekonomik açıdan daha uygun olması amaçlanarak Ca, Sr ve Mg gibi toprak alkali metallerin katkılanması yapılmıştır. CeO2 içerisindeki çözünürlükleri incelenmiş ve çözünürlük limitleri belirlenmiştir. Bu sayede olası safsızlıkların oluşmasının önüne geçilerek, çözünürlük limiti ve altındaki farklı oranlarda tekli ve ikili katkıların iyonik iletkenlikleri belirlenmiştir. Ayrıca, en yüksek iletkenlik gösteren ikili katkılı elektrolite diğer komponent farklı oranlarda eklenecek ve üçlü katkılı elektrolitler hazırlanarak iyonik iletkenlikleri incelenmiştir. Son olarak, en yüksek iyonik iletkenliği gösteren tekli, ikili ve üçlü elektrolit yapıları kullanılarak tekli hücreler hazırlanacak ve SDC yapısı ile yakıt hücresi performansları karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak elde edilen veriler incelendiğinde literatürde farklı sentez yöntemleriyle sentezlenen SDC-20 elektrolit malzemelerine göre daha uygun maliyette  daha yüksek iyonik iletkenliğin elde edildiği görülmüştür.
Elektrolitlerin sentezi sitrat nitrat yakma tekniği ile gerçekleştirilmiş ve karakterizasyonu için TG/DTA, XRD, SEM, EDX kullanılmıştır. Elektrolitlerin iyonik iletkenlikleri 200-800°C arasında Empedans Spektroskopisi ile belirlenmiştir

Abstract:
Due to the increasing need for energy in our country and in the world, alternative energy production methods are becoming increasingly important. In this context, solid oxide fuel cells (SOFC) have become an important research subject due to their high efficiency in the direct conversion of hydrogen and hydrocarbons into electrical energy, their large capacity use and being more environmentally friendly compared to established electricity generation facilities. Many studies have been conducted on electrolyte structures in which ionic conductivity is provided, which is critical in solid oxide fuel cell, and structures such as YSZ (yttrium doped zirconia), SDC (samarium doped seria), GDC (gadolinium doped seria) and LSGM (strontium and magnesium doped lanthanum gallate) It has been found that it shows high ionic conductivity between 600-1000 °C. However, YSZ requires a higher operating temperature than other electrolytes (>800 °C) in order to provide high ionic conductivity. Electrolytes such as SDC, GDC, LSGM have high costs due to the use of rare earth metal oxides. Therefore, research has focused on alternative electrolyte structures.
 It has been demonstrated in the literature that high ionic conductivity can be obtained by doped alkaline earth metals such as Ca, Sr and Mg into CeO2. It is also stated that the performance can be increased by adding certain amounts next to Sm. However, the solubility limit of these components, their ionic conductivity and cell performances as a result of double doped were almost never examined in the studies.
The aim of this thesis study was to add alkaline earth metals such as Ca, Sr and Mg as an alternative to the costly rare earth elements (Sm, Gd, Nd) contributed to the CeO2 phase without losing ion-conduction performance and to be more economically viable. Their solubilities in CeO2 were examined and solubility limits were determined. In this way, the formation of possible impurities was prevented, and the ionic conductivity of single and double additives at different ratios at and below the solubility limit was determined. In addition, the other component will be added to the double-doped electrolyte, which shows the highest conductivity, in different proportions, and triple-doped electrolytes were prepared and their ionic conductivity was investigated. Finally, single cells will be prepared using single, double and triple electrolyte structures showing the highest ionic conductivity and the SDC structure and fuel cell performances will be compared. Consequently, when the data obtained were examined, it was seen that higher ionic conductivity was obtained at a more affordable cost compared to SDC-20 electrolyte materials synthesized by different synthesis methods in the literature.
The synthesis of electrolytes was performed by citrate nitrate burning technique and TG / DTA, XRD, SEM, EDX were used for characterization. The ionic conductivity of the electrolytes was determined between 200-800 ° C by Impedance Spectroscopy.