Katı oksit yakıt hücreleri için bizmut tabanlı yeni tip kompozitelektrolitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of new type of bismuth-basedcomposite electrolytes for solid oxide fuel cells
Yazar: PELİN SÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. NADİR DİZGE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Fen bilimleri = Sciences ; Malzeme bilimi = Material science

Özet:
Mevcut yakıt pilleri arasında, Katı Oksit Yakıt Hücresi (KOYH), yüksek enerji dönüşüm
verimliliği, farklı yakıt seçenekleri, temiz ve sessiz çalışma gibi avantajlarından dolayı son zamanlarda
büyük ilgi görmekte ve güncelliğini korumaktadır. KOYH'lerini diğer yakıt pillerinden ayıran ve
onları farklı bir kategoriye yerleştiren en önemli özellik, yüksek çalışma sıcaklıklarıdır. Saf Bi2O3'ün
altı kristalografik fazı vardır. Bu fazlardan biri de yüzey merkezli kübik (δ) fazdır. δ-Bi2O3 fazının
elektriksel iletkenlik özelliği diğer fazlardan çok daha yüksektir. Bu durum KOYH için aranan bir
özelliktir. KOYH'nde kullanılan bu O2
- iyonu iletkenliğine sahip elektrolitleri karbonat ile kompozit
halde çalışarak ek iletkenlikler kazandırmak da mümkündür. Bu ek kazanımlar, malzemeyi iletkenlik
seviyesinde ileri taşıyan, CO3
2- , OH- iletkenliklerinin yanı sıra, bizmutun morfolojik ve kararlılık
özelliklerinin gelişmesi gibi ek kazanımlardır.
Bu çalışmada, Pechini yöntemi ile KOYH'de katı elektrolit malzemesi olarak kullanılan Bi2O3
bileşiğine lantanit grubu elementlerinden Yb2O3 ve Er2O3 oksitleri (Er2O3)x(Yb2O3)y(Bi2O3)1-x-y
(x=0,08 ve 0,12) (y=0,10 ve 0,30) sitokiyometrik aralığında katkılanarak, Karbonat faz ( Sodyum
Karbonat, Potasyum Karbonat ) ile belli yüzdece ve kütlece oranlarda, kompozit malzeme olarak
çalışılmıştır. Sinterleme sıcaklığı 700 OC olarak çalışılmış malzemelerin, yapısal karakterizasyonları
ise X-ışını kırınım yöntemi kullanılarak gerçekleştirmiştir. Bununla birlikte numunelerin termal
kararlılıkları Diferansiyel Termal Analiz ile test edildi. Tablet haline getirilen numunelerin yüzey
analizleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile yapılmış ve örneklerin gözenekliliği
kıyaslanmıştır. Çalışmanın sonunda, 700 OC'nin Pechini yönteminde Yb ve Er'un katkılama
sıcaklıkları için yeterli olduğu, ve yine 700 OC'de 6 saat sinterlemenin karbonat takviyeli Bizmut Oksit
için ideal olduğu saptanmıştır. Yüzdece 1:1 Mol Oranlı Karbonat / Bizmut Kompozitinin, değişken
çalışılmış yüzdece mol oranlarının kompozitler için değiştiği gruplardan daha yüksek iletkenliğe sahip
olduğu görülmüştür.

Abstract:
Among the existing fuel cells, the Solid Oxide Fuel Cell has recently attracted great attention
and remains up to date due to its high energy conversion efficiency, different fuel options, clean and
quiet operation. The most important feature that distinguishes SOFCs from other fuel cells and puts
them in a different category is their high operating temperatures. Pure Bi2O3 has six crystallographic
phases. One of these phases is the face-centered cubic (δ) phase. The electrical conductivity of the δ-
Bi2O3 phase is much higher than other phases. This is a sought-after feature for SOFC. It is also
possible to obtain permanent additional conductivities in the composite form of electrolytes with this
O2-ion conductivity used in SOFC. This means that the additional conductivities of CO3
2-, OH- that come when working with carbonate composites also carry the vibrations at the conductivity level of
the material.
In this study, Yb2O3 and Er2O3 oxides (Er2O3)x(Yb2O3)y(Bi2O3)1-x-y (x=0.08 and 0.12) ( y=0.10
and 0.30) and its composite with Carbonate phase (Sodium Carbonate, Potassium Carbonate) in
certain percentages and mass ratios were studied. Sintering temperatures were carried out for 700 OC.
Their structural characterization was carried out using the X-ray diffraction method. Additionally, the
thermal stability of the samples was tested by Differential Thermal Analysis. Surface analysis of the
tableted samples was performed using a Scanning Electron Microscope and the porosity of the
samples was compared. At the end of the study, it was determined that 700 OC was sufficient for the
doping temperatures of Yb and Er in the Pechini method, and sintering at 700 OC for 6 hours was ideal
for carbonate-reinforced Bismuth Oxide. Carbonate - Bismuth Composite with 1:1 Mole Ratio was
found to have higher conductivity than groups where variable percent mole ratios varied for phases.