Hidrojen depolayıcı malzemelerin üretimi ve elektrokimyasal karakterizasyonu
Production and electrochemical characterization of hydrogen storage materials
Yazar: GÖKÇE HAPÇI
Danışman: PROF. DR. GÖKHAN ORHAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Erimiş tuz elektrolizi = Molten salt electrolysis ; Mekanik alaşımlama = Mechanical alloying

Özet:
Yüksek teorik kapasiteleri, düşük yoğunluk, kolay bulunabilirliğinin yarattığı düşük maliyet, iyi tersinirlik özellikleri, hafif olmaları ve çevreye zarar vermemelerinden dolayı Mg-Ni esaslı alaşımlar Ni-MH pil uygulamalarında dikkat çekmektedir.
Bu çalışmada, ergimiş tuz elektrolizi (ETE) ve mekanik alaşımlama (MA) yöntemleri olmak üzere iki farklı yöntem kullanarak Mg-Ni esaslı alaşımların üretimi, üretim parametrelerinin optimizasyonu ve karakterizasyonu ile üretilen alaşımların elektrokimyasal hidrojen depolama özelliklerini belirlenmiştir. Alaşımların hidrojen depolama özellikleri elektrokimyasal şarj/deşarj, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve potansiyodinamik polarizasyon gibi elektrokimyasal yöntemler kullanılarak tespit edilmiştir. Alaşım tozlarının karakterizasyonu ise XRD, SEM ve EDS teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üretilen her bir alaşım için hidrojen depolama özellikleri değerlendirilmiş ve hidrojen depolama performansları karşılaştırılmıştır.
Mekanik alaşımlama (MA) deneyleri farklı oranlarda saf Mg ve Ni tozu kullanılarak (325 mesh, Alfa Aesar) 10, 20, 40 ve 60 saat olmak üzere değişen mekanik alaşımlama sürelerinde gerçekleştirilmiştir. Tüm deneylerde bilye/toz oranı 20/1, alaşımlama hızı 500 rpm olmak üzere sabit alınarak 12 mL'lik paslanmaz çelik kaplarda gerçekleştirilmiştir. Elde edilen alaşım tozlarının elektrokimyasal hidrojen depolama özellikleri, faz ve mikroyapı değişimleri birlikte incelenmiştir. Mg33Ni67 ve Mg67Ni33 alaşımlarında en yüksek deşarj kapasitesi değerleri 20 saat MA sonucunda (sırasıyla, 260 ve 381 mAhg-1), Mg50Ni50 alaşımında ise 40 saat sonunda 525 mAhg-1 olarak ölçülmüştür. Alaşımların Ni içeriği artıkça, ilk deşarj kapasitesi düşmesine rağmen kapasite koruma oranının iyileştiği tespit edilmiştir. Alaşım grupları içerisinde yüksek deşarj kapasitesine sahip alaşımların şarj edilmeden ölçülen potansiyodinamik polarizasyon ölçümleri ile birlikte % 0, 20, 50, 80, 90 ve 100 deşarj seviyelerinde empedans değerleri ölçülerek elektrotlarının aşırı bazik elektrolit içerisindeki bozulma davranışları karşılaştırılmıştır. Mg33Ni67, Mg67Ni33 ve Mg50Ni50 alaşımlarının EIS analizleri incelendiğinde şarj transfer direnci (Rct) yükseldikçe, deşarj performanslarının kötüleştiği gerçekleştirilen testler sonucunda tespit edilmiştir. 
Ergimiş tuz elektrolizi (ETE) deneylerinde elektrolit bileşimi, sıcaklık ve akım yoğunluğu gibi elektroliz parametrelerinin alaşımların kimyasal bileşim, faz ve mikroyapı değişimlerinin, hidrojen depolama özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Deneyler; inert atmosferde, bir saat süreyle ve katot olarak elektrolitik safiyette Ni, anot olarak grafit kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 750 °C sıcaklıkta, ağırlıkça % 39 NaCl, 39 KCl, 20 MgCl2 ve 2 NiCl2 içeren elektrolit bileşimi, 0.35 ve 0.5 Acm-2 akım yoğunluğu değerlerinde gerçekleştirilen ergimiş tuz elektrolizinde en yüksek deşarj kapasitelerine (sırasıyla 384 ve 374 mAhg-1) ulaşılmıştır. Bu alaşımların kapasite koruma oranları, sırasıyla % 72 ve 69' dur. Bununla birlikte, % 85 ile en iyi kapasite koruma oranına aynı deneysel şartlarda ancak 0.75 Acm-2 akım yoğunluğunda üretilen alaşıma aittir. Aynı şartlarda, 0.35 Acm-2 akım yoğunluğunda elde edilen alaşımın EIS analizi incelendiğinde şarj transfer direncinin % 80 deşarj seviyesinden sonra keskin artış gösterdiği tespit edilmiştir. 
Gerçekleştirilen deneysel çalışma sonuçlarına göre, Mg-Ni alaşımlarının hidrojen depolama özelliklerinin kimyasal bileşim, faz yapısı ve mikroyapıya bağlı olarak değiştiği tespit edilmiştir. Bununla birlikte, kapasite koruma oranlarının değişiminde kimyasal bileşimin, hidrojen depolama kapasitelerinde ise faz yapısının daha etkin olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
High theoretical capacity, low density, low cost due to high abundance, reversibility and environmental properties makes Mg-Ni based alloys attractive choice for Ni-MH battery applications.
In this work, molten salt electrolysis (MSE) and mechanical alloying (MA) methods were used to produce Mg-Ni alloys. Electrochemical hydrogen storage properties were optimized and characterised by charge/discharge, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic polarization methods. Powdered alloy was characterised by XRD, SEM and EDS techniques. Hydrogen storage characteristics and performance of all alloys were determined.
Various ratios of pure Mg and Ni powders were mechanically alloyed (MA) for 10, 20, 40 and 60 hours (325 mesh, Alfa Easer). In all the experiments, 12 mL stainless steel container was used where ball/powder ratio was 20/1 and grinding speed was 500 min-1. Hydrogen storage properties, phase and microstructural changes of the alloys were investigated. The highest discharge capacity was observed at 260 and 381 mAhg-1 for Mg33Ni67 and Mg67Ni33 respectively for the samples mechanically alloyed at 20 hours. For Mg50Ni50 maximum discharge capacity was found to be 525 mAhg-1 for the samples MA at 40 hours. As Ni content of the alloy was increased, initial charge capacity was low, however it was found that the capacity retaining rate was improved. Impedance values of the alloys with the high discharge capacity was measured at 0, 20, 50, 80, 90 and 100 % and decomposition properties in a basic electrolyte were compared. EIS analysis of Mg33Ni67, Mg67Ni33 and Mg50Ni50 show that as charge transfer resistance (Rct) was increased, discharge performance was decreased.
In the molten salt electrolyses experiments (MSE), electrolyte concentration, temperature and current density parameters were compared with the alloys chemical composition, phases present, microstructure and hydrogen storage properties. Experiments were carried out in inert atmosphere for 1 hour and high purity Ni was used as cathode material, graphite was used as the anode. The highest discharge capacity (384 and 374 mAhg-1) was found at 750 oC, 39 wt.% NaCl + 39 wt.% KCl + 20 wt.% MgCl2 and 2 wt.% NiCl2 electrolyte composition at 0.35 and 0.5 Acm-2 current densities. Capacity retaining rate of these alloys were 72 % and 69 %. Moreover, 85 % capacity conversion rate was found when 0.75 Acm-2 current density was used. Under the same conditions, EIS analysis revealed that charge transfer resistance was increased sharply up to 80 % when 0.35 Acm-2 current density was used. 
According to the experimental findings, hydrogen storage property of Mg-Ni alloys are dependent upon chemical composition, microstructure and phases that are present in the alloy. Furthermore, phases in the microstructure have dominantly affected the hydrogen storage capacity whereas chemical composition significantly affected the capacity retaining rate.