Nano-Er2O3,Eu2O3,Gd2O3,Ho2O3 ve Ho2O3 katkılı nano-Bi2O3 katı elektrolit malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of the nano-Bi2O3 solid electrolyte doped with nano-Er2O3,Eu2O3,Gd2O3,Ho2O3
Yazar: MURAT BALCI
Danışman: PROF. DR. MEHMET ARI
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, nano-(Bi2O3)1-x-y-z-t (Er2O3)x (Eu2O3)y (Gd2O3)z (Ho2O3)t beşli heterojen karışımları katı hal reaksiyonları ile atmosferik koşullarda hazırlandı. Karışımlardaki lantanit oksitlerin katkılama oranı belirli bir stokiyometriye göre düzenlendi. Toz ve palet formda hazırlanan numunelerin yapısal karakterizasyonu X-ışını Kırınım Difraksiyon (XRD) tekniği ile gerçekleştirildi. Karışımlarda katkı oranı %35 'den daha az olan numunelerin kırınım deseni kübik saf fcc δ-fazının kırınım deseni ile çakıştırıldı. Bununla birlikte Katı Oksit Yakıt Pili (SOFC) uygulamaları açısından ideal katı elektrolit, %25 katkılama oranı ile hazırlanan (Bi2O3)0.75(Er2O3)0.05(Eu2O3)0.05 (Gd2O3)0.05 (Ho2O3)0.10 karışımı olabilir. Bu karışımın yarı maksimum pik genişliği (FWHM) ve ortalama kristal boyutu saf kübik fazın değerleriyle örtüşmektedir. Diğer taraftan daha yüksek katkı oranı ile hazırlanan karışımların XRD deseni, daha geniş pik oluşumları içermektedir. Bu durumun daha yüksek FWHM değerinin oluşmasına ve dolayısıyla ortalama kristal boyutunun azalmasına yol açtığı düşünebilir. Ayrıca %80 katkı oranı karışımın XRD deseni, daha karmaşık yapının oluştuğunu işaret etmektedir.
Tüm karışımların 750 °C'de elektriksel iletkenlikleri kıyaslandığında en yüksek iletkenlik değeri 1.44 x 10-2 Ω-1.cm-1 ile %25 katkılama ile hazırlanan karışıma aittir. Diğer taraftan karışımdaki katkılama oranı arttıkça aktivasyon enerjilerinin yükseldiği görüldü. Karışımların hesaplanan aktivasyon enerjilerinin 0.40 eV ile 1.11 eV aralığında değiştiği gözlendi. Sıcaklığa bağlı elektriksel iletkenlik grafikleri ve DTA eğrileri birlikte değerlendirildiğinde, faz geçişi oluşumu sadece %20 oranında katkılanan karışımda gözlendi. Karışımların çekilen SEM resimleri ve EDX desenleri üzerinden yüzey analizleri değerlendirildi. Özellikle %35 katkılama oranı üstüne çıkıldığında, tanecik sınır yapısının keskin bir şekilde değiştiği gözlendi. 

Anahtar Kelimeler: Katı Elektrolit, Yakıt Pili, Faz Kararlılığı, Faz Geçişi

Abstract:
In this study, nano-(Bi2O3)1-x-y-z-t (Er2O3)x (Eu2O3)y (Gd2O3)z (Ho2O3)t quintet heterogeneous mixtures have been created by solid state reactions at atmospheric conditions.  Doping rate of the lanthanide oxides in the mixture was determined according to certain stoichiometric rate. Structural characterization of the samples prepared in powder and pellet form was performed with XRD analysis technique.  Diffraction patterns of the samples which have doping rate in the mixture less than 35% were compared by overlaying with each other.  For all that, ideal solid electrolyte in terms of the SOFC applications may be (Bi2O3)0.75 (Er2O3)0.05 (Eu2O3)0.05 (Gd2O3)0.05 (Ho2O3)0.10 mixture prepared with 25% doping rate. Full Width Half Maximum (FWHM) and Average Crystal Dimension (ACD) of the mixture have matched with values of the pure cubic fcc δ-phase. On the other hand, XRD patterns of the mixtures prepared with higher contribution rate includes more splayed peak formations. It can be thought that this leads to higher FWHM values and thus to a decrease in average crystal size. In addition, the XRD pattern of the mixture prepared with 80% additive ratio indicates that a more complex crystal structure has been formed. 
When electrical conductivities of the all mixtures at 750 °C is compared with each other, the highest conductivity value is belong to sample prepared 25% doping rate of which conductivity 1.44 x 10-2 Ω-1.cm-1 . On the other hand, it was seen that conductivity activation energies increased as the contribution rate in the mixture increased. It was observed that the calculated activation energies of the mixtures ranged from 0.40 eV to 1.11 eV. When electrical conductivity graphs depending on temperature and DTA curves are evaluated together, it was seen that the phase transition occurred only in the sample doped with 20%. Surface analyzes of the mixtures were evaluated using the SEM pictures and EDX patterns. It was observed that the grain boundary structure changed sharply, especially when the addition rate of 35% was exceeded. 

Keywords: Solid Electrolyte, Fuel Cell, Phase Stability, Phase Transition