Sitrat-nitrat yanma yöntemiyle yitriyum katkılı seryum oksit elektrolit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of yttrium doupted cerium oxide electrolyte materials by citrate-nitrate combustion method
Yazar: FERİDE MAHFUS
Danışman: DOÇ. DR. TUBA GÜRKAYNAK ALTINÇEKİÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Enerji, insanların ihtiyaçlarını karşılamak için gerekli olan bir kaynak olmakla birlikte, enerjinin kullanımı sırasında çeşitli olumlu ve olumsuz etkileri olabilmektedir. Bu nedenle enerji üretiminde fosil yakıtlar yerine düşük emisyonlu ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması önemlidir. Petrole olan bağımlılığı azaltmak, dünyanın birçok ülkesindeki birçok enerji araştırma faaliyetinin önemli bir bileşenidir. Yakıt hücreleri, geleceğin hidrojen ekonomisi için kilit teknolojidir ve günümüz teknolojisine daha temiz ve daha verimli alternatifler sunarak, uluslarımızı yönetme şeklimizde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Ek olarak, yakıt hücreleri, yanmaya dayalı enerji üretim teknolojilerinden önemli ölçüde daha fazla enerji verimlidir. Yakıt hücresi, yakıtın enerjisini elektrokimyasal reaksiyon sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Yakıt hücreleri verimli bir dönüştürme teknolojisidir ve temiz bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojen, birçok ülkenin karşı karşıya olduğu enerji sorunlarının ele alınmasına katkıda bulunma konusunda büyük bir potansiyele sahiptir. Mevcut çevre sorunlarının üstesinden gelmek için ülkeler yenilenebilir enerji teknolojisinin ulaşıma ve birçok endüstriyel uygulamaya uygulanmasına izin verecek ve bu amaca ulaşmak için yakıt pili işletme teknolojisi, kullanılan elektrotlar, elektrolitler ve ayırıcılar açısından birçok zorluğun üstesinden gelinmesi için araştırmalar devam etmektedir.. Yakıt hücresi türleri arasında katı oksit yakıt hücreleri, yüksek dönüşüm oranları ve geniş uygulama alanları ile dikkat çekmektedir. Ancak yüksek verim beraberinde yüksek işletim sıcaklıklarını da (800-1000) ℃ getirdiği için katı oksit yakıt hücreleri pahalı bir teknolojidir. Günümüzde gerçekleştirilen çalışmaların çoğu daha düşük sıcaklıklarda yüksek verim sağlayacak iyonik iletkenlikleri yüksek elektrolitlerin sentezlenmesi üzerine kuruludur. Elektrolit malzeme olarak yaygın olarak kullanılan yitriyum stabilize zirkonya (YSZ), hücre çalışması için yüksek sıcaklık (1000) ℃ gerektirir, bu da ara bağlantı ve diğer malzemelerin yüksek maliyetlerine ve ayrıca uzun vadeli kararlılık sorunlarına yol açar. Bu nedenle, yeni elektrolit malzemeleri önerilmiştir. 1200-1450 ℃'de toz sinterleme (mikro ve nano tanelerin sinterlenmesi) ile elde edilen Sm, Y, Gd gibi katkı maddelerine sahip mikrokristalin seryum oksit, 500–600 ℃ gibi nispeten düşük sıcaklıklarda yüksek iyonik iletkenlik sergiler. Yitriyum katkılı seryum (YDC), katı oksit yakıt hücreleri için çok umut verici bir elektrolit malzemedir. Bu tez çalışmasında, sitrat-nitrat yanma yöntemiyle tek katkılı elektrolit sentezlerinden biri olan yitriyum katkılı seryum oksit (YDC) sentezinde metal nitrat tuzu olan yitriyum (III)nitrat heksahidrat ve seryum(III) nitrat heksahidrat kullanılarak, farklı katkı oranları ( %10, 15, 20 ve 25 ) ile SA/ MK =1.1 ve 1300℃'de sinterlenmiş numunler hazırlanmıştır. Elde edilen katkılı seryum oksit esaslı elektrolit malzemeleri TG/DTA, yoğunluk ölüçmü, XRD, SEM ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analiz teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Sentez yönteminin iyonik iletkenliği üzerine etkisi incelenmiştir ve test edilen numuneler arasından en iyi olan tespit edilmiştir. EIS ile yapılan iyonik iletkenlik analizi sonucunda en yüksek iyonik iletkenlik değerini veren malzemenin YDC15 olduğu belirlenmiştir. İletkenli değeri 4.55×10-2 S.Cm-1 olduğu bulunmuştur. Daha sonra en yüksek iyonik iletkenliği veren YDC 15 malzemesi farklı sitrik asit oranlarında (SA/ MK = 0.5 - 2) sentezlenmiş ve farklı sıcaklıklarda (1200 -1400)℃'de sinterlenmiştir. Elde edilen malzemeler; yoğunluk ölçümü, XRD, SEM analizleri ile karakterize edilmiş ve EIS analizi ile iyonik iletkenlikleri incelenmiştir.

Abstract:
Energy is a necessary resource to meet human needs, but its use can have various positive and negative effects. Therefore, it is important to use low-emission and renewable energy sources instead of fossil fuels in energy production. Reducing dependence on oil is a significant component of many energy research activities in countries worldwide. Fuel cells are a key technology for the future hydrogen economy and have the potential to revolutionize how our nations manage by providing cleaner and more efficient alternatives to current technologies. Additionally, fuel cells are significantly more energy-efficient than combustion-based energy production Technologies.
A fuel cell converts the energy of fuel directly into electrical energy through an electrochemical reaction. Fuel cells are efficient conversion technologies, and hydrogen, as a clean energy carrier, has great potential to contribute to addressing the energy challenges many countries face. To overcome the current environmental issues, countries need to allow the application of renewable energy technology to transportation and various industrial applications. However,operating fuel cell technology for this purpose requires overcoming many challenges in terms of the electrodes, electrolytes, and separators used.
Among the types of fuel cells, solid oxide fuel cells stand out with their high conversion rates and broad application areas. However, solid oxide fuel cells are an expensive technology due to the high operating temperatures they require (800-1000°C). Most of the current research focuses on synthesizing electrolytes with high ionic conductivity that would provide high efficiency at lower temperatures. Yttria-stabilized zirconia (YSZ), commonly used as an electrolyte material, requires high temperatures (1000°C) for cell operation, leading to high costs for interconnects and other materials, as well as long-term stability issues. Therefore, several new electrolyte materials have been proposed. Cerium oxide doped with additives such as Sm, Y, and Gd, which is obtained through powder sintering (sintering of micro and nano particles) at 1450°C, exhibits high ionic conductivity at relatively low temperatures (500-600°C). Yitrium-doped cerium (YDC) is a promising electrolyte material for solid oxide fuel cells.
In the scope of this research project, we focused on the synthesis of yitrium-doped cerium oxide (YDC), a single-doped electrolyte material, utilizing the citrate-nitrate combustion method. Yttrium (III) nitrate hexahydrate and cerium (III) nitrate hexahydrate metal nitrate salts were employed in the synthesis process. Various samples were prepared with different doping ratios (10%, 15%, 20%, and 25%) while maintaining a stoichiometric ratio of SA/MK = 1.1, followed by sintering at 1300°C. The resulting cerium oxide-based electrolyte materials underwent characterization through density measurements, TG/DTA, XRD, SEM, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses. The influence of the synthesis method on ionic conductivity was meticulously investigated, and the most promising sample was determined. EIS analysis revealed that YDC15 exhibited the highest ionic conductivity, measuring at 4.55×10-2 S·cm-1. Subsequently, YDC15, which demonstrated superior ionic conductivity, was synthesized under various citric acid ratios (SA/MK = 0.5 - 2) and sintered at different temperatures ranging from 1200 to 1400°C. The obtained materials were thoroughly characterized, incorporating density measurements, XRD, SEM analyses, and an assessment of their ionic conductivities via EIS analysis.