Katı oksit yakıt hücreleri için iki katkılı N0.20MxCe0.8-xO1.9-(x/2) esaslı elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of co–doped N0.20MxCe0.8-xO1.9-(x/2) based electrolytes for solid oxide fuel cells
Yazar: MEHTAP DER
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER ; YRD. DOÇ. DR. ALİYE ARABACI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Dünyada enerji tüketiminin büyük kısmı kömür petrol gibi fosil yakıtların yanmasıyla sağlanmaktadır. Bu yakıtlar verimsiz ve çevreyi kirletici niteliktedir. Günümüzde ekosistemin daha fazla zarar görmemesi için ihtiyaç duyulan enerjinin temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanması istenmektedir. Yakıt hücreleri yakıtın kimyasal enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren etkin sistemlerdir.
Yakıt hücresi sistemlerinden olan katı oksit yakıt hücreleri (KOYH), yüksek verimle enerji üretimi sağlar.  Bu hücrelerde özellikle elektrolit malzemesinin iyonik iletkenliği geliştirilmelidir. YSZ katı oksit yakıt hücrelerinde yaygın olarak kullanılan elektrolitlerdendir ve yeterli iyonik iletkenliğe ulaşabilmesi için yüksek sıcaklık (~1000°C) gerektirirler. Böylece hücre yapısında kullanılacak yapı malzemelerinin seçimi kısıtlanır. Bu sorunları ortadan kaldırmak için orta işletim sıcaklıklarında (500-800°C) yüksek iyonik iletkenlik gösteren elektrolitlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Seryum oksit (CeO2) esaslı elektrolitler ise <800°C sıcaklıkta yüksek iyonik iletkenlik göstererek umut verici malzeme olmuştur. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, elektrolitte iyonik iletkenliği arttırmak için CeO2'ye; gadolinyum, samaryum gibi birçok katkının yapıldığı görülmektedir.
Bu tezin temel amacı; katı oksit hücresinin yüksek sıcaklıkta işletiminden kaynaklanan hücre bileşenleri arasındaki olumsuzlukların giderilmesi için orta işletim sıcaklıklarında (500-800°C) yüksek iyonik iletkenliğe sahip ve katı oksit yakıt hücrelerinde yüksek performası sağlayacak elektrolit malzemeleri üretmektir. 
Bu çalışmada poliol metodu kullanılarak farklı miktarlarda Sm, Gd, Nd'nin (x=0-0,20) CeO2 fazına ikili olarak eklenmesi ile serya elektrolit malzemesinin iyonik iletkenlik değerinin <800°C işletim sıcaklığında daha da arttırılmasına çalışılacaktır. Ayrıca Nd0,20SmxCe0,8-xO2-x/2, Sm0,20GdxCe0,8-xO2-x/2, Gd0,10NdxCe0,9-xO2-x/2,Gd0,10SmxCe0,9-xO2-x/2, Nd0,20GdxCe0,8-xO2-x/2 ve Sm0,20NdxCe0,8-xO2-x/2 elektrolit sistemlerinin yapısal ve iyonik iletkenlik özellikleri; XRD, SEM, FTIR ve EIS yöntemleri kullanılarak aydınlatılacaktır. Tez kapsamında 500-800°C aralığındaki işletim sıcaklıklarında yüksek performans sağlayan nadir toprak elementleri ile katkılandırılmış serya esaslı elektrolit malzemeleri üretilecek ve en yüksek iyonik iletkenliği veren katkı malzemesi ve miktarı belirlenecektir.

Abstract:
Coal, petrol and fossil based fuels are the high portions of energy sources in the world. This fuels are inefficient and polluting. Nowadays the need to protect the ecosystem, clean and renewable energy sources are being developed. Solid oxide fuel cells (SOFCs) are efficient devices that convert the chemical energy of a fuel into electrical energy.
SOFCs which are one of the kind of fuel cells efficiently provide energy production. It is necessary to develop the ionic conductivity of electrolytes used in SOFCs. In general, conventional SOFC systems that use yttria-stabilized (YSZ) as an electrolyte for their high conversion efficiency are operated at around 1000°C. However, operation at high temperatures yields some problems. It is thus necessary to lower (500-800°C) the temperature of the SOFCs. 
Cerium oxide (CeO2) based electrolytes has been showing promising material with high ionic conductivity <800°C. Considering the studies in the literature, in order to increase the ionic conductivity of CeO2, gadolinium, samarium many additives are used in the electrolyte. 
The main purpose of this thesis is to produce electrolytes having high ionic conductivity at 500-800°C operation temperature for eliminating negatives between cell components during high temperature operation of SOFC cell.  
In this study, it is aimed to enhance the ionic conductivity of the ceria electrolyte material at <800°C operating temperature by co-doping the CeO2 phase with different amounts of Sm, Gd and Nd (x=0-0,20) via using polyol method. Structural and ionic conductivity properties of the Nd0,20SmxCe0,8-xO2-x/2, Sm0,20GdxCe0,8-xO2-x/2, Gd0,10NdxCe0,9-xO2-x/2, Gd0,10SmxCe0,9-xO2-x/2, Nd0,20GdxCe0,8-xO2-x/2 and Sm0,20NdxCe0,8-xO2-x/2 electrolyte systems will be determined by applying characterization techniques such as XRD, SEM, FTIR and EIS. It is aimed to produce rare-earth-co-doped ceria electrolyte materials which show high performance at 500-800°C operating temperatures. The content of the doping material which exhibits the highest ionic conductivity will be determined.