Bor, grafen ve nadir toprak elementleriyle katkılanmış yeni nesil termoelektrik kompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of new generation thermoelectric composite materials added with boron, graphen and rare earth elements
Yazar: EMRE ÇINAR
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM USLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, stronsiyum kobalt oksit ve kalsiyum kobalt oksite bor ile grafen ilavesinin; gümüş çinko oksite, nadir toprak elementlerinden olan, lantan ile praseodim ilavesinin termoelektrik özelliklere etkisini gözlemlemek amaçlanmıştır. Bu doğrultuda toplam dokuz farklı polimer çözelti hazırlanmış, bu çözeltilerden sol-jel yöntemi ile toz halinde termoelektrik nanokompozit malzemeler elde edilmiştir. Üretilen toz halindeki malzemelerin morfolojileri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Toz halindeki termoelektrik nanokompozit malzemeler X-Işınları Kırılımı Cihazı (XRD) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ile karakterize edilmiştir. Daha sonra toz halindeki malzemeler pres ve kalıp yardımıyla pelet haline getirilerek uygun sıcaklıkta sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Sinterleme sonrası elde edilen bulk malzemelerin termoelektrik özellikleri (elektriksel iletkenlik, Seebeck katsayısı, güç faktörü) 50-500°C sıcaklık aralığında ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre kalsiyum kobalt oksit numunelerin Seebeck katsayılarının p tipi taşıyıcı gibi pozitif olduğu, gümüş çinko oksit numunelerin ise n tipi taşıyıcı gibi negatif olduğu ve ölçüm yapılan sıcaklığa bağlı olarak 29,76 – 713 µV/K aralığında değiştiği ve elektriksel iletkenlik değerlerinin ölçüm yapılan sıcaklığa bağlı olarak 143,51 Ω^(-1) m^(-1) değerine kadar ulaştığı tespit eidlmiştir. En yüksek güç faktörü değeri ise 4,49 µW/mK^2 olarak hesaplanmıştır. Bununla birlikte, bor ve nadir toprak elementlerinden olan lantan ve praseodim ile katkılamanın güç faktöründeki artışa katkı sağladığı; grafen katkısının ise güç faktörü değerlerinde çok daha yüksek bir katkı sağlayarak kayda değer bir artışa sebep olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, it was aimed to observe the effect of the addition of boron and graphene to strontium cobalt oxide and calcium cobalt oxide, and the addition of rare earth elements lanthanum and praseodymium to silver zinc oxide for thermoelectric properties. In this direction, a total of nine different polymer solutions were prepared, and powdered thermoelectric nanocomposite materials were obtained from these solutions by sol-gel method. The morphologies of the produced powdered materials were examined by Scanning Electron Microscope (SEM). Powdered thermoelectric nanocomposite materials were characterized by X-Ray Diffraction Device (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Then, the powdered materials were turned into pellets with the help of press and mold and subjected to sintering process at the appropriate temperature. The thermoelectric properties (electrical conductivity, Seebeck coefficient, power factor) of the bulk materials obtained after sintering were measured in the temperature range of 50-500°C. According to the results, it was determined that the Seebeck coefficients of the calcium cobalt oxide samples were positive like the p-type carrier, while the silver-zinc oxide samples were negative like the n-type carrier and that they changed in the range of 29.76 – 713 µV/K depending on the temperature at which the measurement was made, and the electrical conductivity values reached up to 143.51 Ω^(-1) m^(-1) depending on the temperature at which the measurement was made. The highest power factor value was calculated as 4.49 µW/mK^2. Doping with boron and rare earth elements lanthanum and praseodymium contributed to the increase in power factor; however, it was determined that the graphene additive caused a significant increase in the power factor values.