Çift Katkılama Yöntemi ile Tetragonal Faz Bizmut Oksit Bazlı Katı Elektrolitlerin Sentezi ve Kristal Yapı Analizi

Abstract

Bu çalışmada, Yb₂O₃ ve Er₂O₃, katı oksit yakıt hücresi (SOFC) uygulamaları için malzemenin yapısal ve elektriksel özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla katı hal reaksiyon yöntemi kullanılarak Bi₂O₃'ye katkılanmıştır. Yapısal karakterizasyon X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak gerçekleştirilirken, elektriksel iletkenlik 300-810°C sıcaklık aralığında dört noktalı bir prob yöntemi ile ölçülmüştür. Katkı maddesi konsantrasyonunun faz stabilizasyonu, tane morfolojisi ve iyonik iletkenlik üzerindeki etkisi sistematik olarak incelenmiştir. Sonuçlar, β-fazı tetragonal Bi₂O₃'nin başarıyla stabilize edildiğini ve Yb-katkının özellikle yüksek sıcaklıklarda iyonik iletkenliği önemli ölçüde artırdığını ortaya koymuştur. SEM analizi, tane boyutunun ve gözenekliliğin iletkenlik davranışı üzerindeki rolünü daha da açıklığa kavuşturmuştur.

Keywords

• Bizmut oksit
• katı elektrolit
• çift katkılama
• iletkenlik
• 4 nokta iletkenlik
• tetragonal faz
• KOYH

Synthesis and Crystal Structure Analysis of Tetragonal Phase Bismuth Oxide-Based Solid Electrolytes with Double Doping Method

Abstract

In this study, Yb₂O₃ and Er₂O₃ were doped into Bi₂O₃ using the solid-state reaction method to investigate their effects on the structural and electrical properties of the material for solid oxide fuel cell (SOFC) applications. Structural characterization was conducted using X-ray diffraction (XRD), while electrical conductivity was measured via a four-point probe method across a temperature range of 300–810°C. The influence of dopant concentration on phase stabilization, grain morphology, and ionic conductivity was systematically studied. The results revealed that β-phase tetragonal Bi₂O₃ was successfully stabilized, and Yb-doping significantly enhanced ionic conductivity, particularly at elevated temperatures. SEM analysis further elucidated the role of grain size and porosity on the conductivity behavior.

Keywords

• Bismuth oxide
• solid electrolytes
• double doping
• four probe
• tetragonal phase
• SOFC

References

1. N.M. Sammes, G.A. Tompsett, H. Näfe, F. Aldinger, Bismuth based oxide electrolytes - Structure and ionic conductivity, J. Eur. Ceram. Soc., 19 (1999) 1801–1826.
2. V. Fruth, A. Ianculescu, D. Berger, S. Preda, G. Voicu, E. Tenea, M. Popa, Synthesis, structure and properties of doped Bi₂O₃, J. Eur. Ceram. Soc., 26 (2006) 3011–3016.
3. J.B. Goodenough, Ceramic solid electrolytes, Solid State Ionics, 94 (1997) 17–25.
4. J.C. Boivin, Structural and electrochemical features of fast oxide ion conductors, Int. J. Inorg. Mater., 3 (2001) 1261–1266.
5. S. Yilmaz, The geometric resistivity correction factor for several geometrical samples, J. Semicond., 36 (2015) 082001.
6. S. Yilmaz, O. Turkoglu, M. Ari, I. Belenli, Electrical conductivity of the ionic conductor tetragonal (Bi₂O₃)₁₋ₓ(Eu₂O₃)ₓ, Cerâmica, 57 (2011) 185–192.
7. S. Yilmaz, O. Turkoglu, I. Belenli, Measurement and properties of the oxide ionic conductivity of β-phase in the binary system of (Bi₂O₃)₁−ₓ(Sm₂O₃)ₓ, Mater. Chem. Phys., 112 (2008) 472–477.
8. M.P. Singh, A. Kumar, A. Singh, Effect of Er₂O₃ addition on the structural and electrical properties of Bi₂O₃, Ceram. Int., 41 (2015) 4954–4960.

9. S. Nakayama, Y. Nagata, T. Nakanishi, Electrical conductivity and activation energy of (Bi₂O₃)₀.₇₅(RE₂O₃)₀.₂₅ (RE = Er, Yb, Dy, Ho) ceramics, J. Mater. Sci., 37 (2002) 1921–1924.
10. I. Jeong, J. Lee, Y. Kim, Electrical and optical properties of erbium-doped bismuth oxide films, J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 33 (2022) 4256–4263.
11. P. Guler, M.S. Duyar, S. Yilmaz, Synthesis and structure analysis of new type Er and Yb doped bismuth oxide solid electrolytes, Chem. Pap., 76 (2022) 5513–5522.
12. T. Takahashi, H. Iwahara, Y. Nagai, High oxide ion conduction in sintered Bi₂O₃ containing SrO, CaO or La₂O₃, J. Appl. Electrochem., 2 (1972) 97–104.
13. M.V.F. Heinz, J. Meyer, M. Schmidt, Grain size effects on activation energy and conductivity: Na-β″-alumina ceramics and ion conductors with highly resistive grain boundary phases, Acta Mater., 213 (2021) 116940.
14. E. Truong, H. Nguyen, L. Pham, Accelerating ion transport in polycrystalline conductors, Sci. Adv., 11 (2025) eadt7795.
15. T.W. Heo, S. Kim, J. Lee, Microstructural impacts on ionic conductivity of oxide solid electrolytes from a combined atomistic-mesoscale approach, npj Comput. Mater., 7 (2021) 1–9.