Nano ve Mikro Yapıdaki (Bi2O3)1-x-y(Sm2O3)x(Ho2O3)y Elektrolit Sistemlerinin Katı Oksit Yakıt Pili için Sentezlenmesi ve Faz Kararlılığı, Elektriksel ve Termal Özelliklerinin İncelenmesi ve Karşılaştırılması

Yıl 2017, Cilt: 21 Sayı: 3, 1011 - 1016, 10.05.2017

Yasin Polat

Öz

Bu çalışmada Bi₂O₃ tabanlı üçlü sistem örnek materyalleri katı hal reaksiyonu metodu ile her biri ısıl işleme tabi tutularak nano ve mikro yapıda sentezlenmiştir. Katı oksit yakıt pili (KOYP) için üretilen bu katı seramik elektrolitlerin yapısal özellikleri X-Işınları Difraktometresi (XRD), Diferansiyel Termal Analiz - Termo ağırlık ölçer (DTA -TG) ile karakterize edilmiştir. Üretilen katı seramik elektrolitlerin yüzey özellikleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Elektriksel özellikleri ise dört nokta elektriksel iletkenlik yöntemi yoluyla karakterize edilmiştir. XRD ölçümleri sonuçları, nano ve mikro (Bi₂O₃)_1-x-y(Sm₂O₃)_x(Ho₂O₃)_y (x=10, 15, y=5, 20) örneklerinin δ-fazlı yüzey merkezli kübik kristaloğrafik yapıda olduğunu göstermiştir. Faz kararlılığı DTA ölçümleri ile yine kontrol ve karşılaştırılması yapılarak çoğu örneğin Bi₂O₃ un kararlı δ-fazına sahip olduğu gösterilmiştir. Sıcaklığa bağlı elektriksel iyonik iletkenlik ölçümleri sonucunda en yüksek elektriksel iletkenlik nano-(Bi₂O₃)_0.65(Sm₂O₃)_0.15(Ho₂O₃)_0.20 sistemi için  700°C’de 5.78x10^-2 (Ω.cm)^-1’dir ve mikro-(Bi₂O₃)_0.70(Sm₂O₃)_0.10(Ho₂O₃)_0.20 sistemi için 700°C’de 7.40x10^-3 (Ω.cm)^-1‘dir. Aktivasyon enerjileri ise elektriksel iletkenlik ölçüm sonuçlarından elde edilerek nano boyutlu örnekler için 1,21 eV’tan 0,49 eV’a ve mikro boyutlu örnekler için 1,51 eV’tan 0,90 eV’a kadar değişmektedir. Çalışmada sentezi gerçekleştirilen katı elektrolit sistemlerinin KOYP’lerinin üretimi gibi birçok endüstriyel uygulamalarda kullanılabilme potansiyeli vardır.

Anahtar Kelimeler

Katı hal reaksiyon metodu, Katı oksit yakıt pili (KOYP); Katı seramik elektrolit; Elektriksel iletkenlik; Aktivasyon enerjisi

Kaynakça

• [1] Meibuhr, S.G. 1966. Review of United States fuel-cell patents issued from 1860 to 1947. Electrochimica Acta, 11(9), 1301-1308.
• [2] Fuel-cells. http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ fuel-cells/index.php (Erişim Tarihi: 21.01.2007).
• [3] Eser, D. 2007. Polimer Elektrolit Membranlı Yakıt Pilleri İçin Katot Üretimi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 54s, İstanbul.
• [4] Çetinkaya, M., Karaosmanoglu, F. 2003. Yakıt Pilleri. Makine Mühendisleri Odası Bülteni, 11920, 18-30.
• [5] Yamamoto, O. 2000. Solid oxide fuel cells: fundamental aspects and prospects. Electrochimica Acta, 45, 2423-2435.
• [6] Steele, B.C.H. 2001. Materials for fuel-cell technologies. Journal of Materials Science, 36, 1053-1068.
• [7] Ma, Y., Wang, X., Raza, R., Muhammed, M., Zhu, B. 2010. Thermal stability study of SDC/Na2CO3 nanocomposite electrolyte for low-temperature SOFCs. International Journal of Hydrogen Energy, 35(7), 2580-2585.
• [8] Polat, Y., Dağdemir, Y., Arı, M. 2016. Structural, thermal, electrical and morphological characterization of (Bi2O3)1-x-y(Sm2O3)x(Yb2O3)y nanostructures prepared by solid state synthesis. Current Applied Physics 16, 1588-1596.
• [9] Polat, Y. ‚ Akalan, H., Arı, M. 2017. Thermo-Electrical and Structural Properties of Gd2O3 and Lu2O3 Double-Doped Bi2O3. International Journal of Hydrogen Energy 42, 614-622.
• [10] Polat, Y. ‚ Arı, M., Dağdemir, Y. 2017. Phase stability, thermal, electrical and structural properties of (Bi2O3)1−x−y(Sm2O3)x(CeO2)y electrolytes for solid oxide fuel cells. Phase Transitions, 90(4), 387-398.
• [11] Polat, Y. Nano-Bi2O3’e Sm2O3, CeO2 ve Yb2O3 Katkılanarak Elektrolit Malzeme Sentezi ve Karakterizasyonu Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 151s, Kayseri.
• [12] Beg, S., Al-Areqi, N.A.S., Ghaleb, Kh.A.S., Al-Alas, A., Hafeez, S., 2014. Effect of Ni(II) substitution on phase stabilization electrical properties of BICo(III)VOX.20 oxide-ion conductor. Philosophical Magazine 94, 1661-1673.
• [13] Arabacı, A., Serin, Ö., Sarıboğa, V., Öksüzömer, M.F., 2016. Characterization of Sm and Nd Co-Doped Ceria-Based Electrolyte Materials. Acta Physica Polonica A 129, 524-527.
• [14] Watanabe, A., Sekita, M., 2005. Stabilized δ-Bi2O3 phase in the system Bi2O3–Er2O3–WO3 and its oxide-ion conduction. Solid State Ionics 176, 2429-2436.
• [15] Dapčević, A., Poleti, D., Rogan, J., Radojković A., Radović, M., Branković, G., 2015. A new electrolyte based on Tm3+-doped δ-Bi2O3-type phase with enhanced conductivity. Solid State Ionics 280, 18–23.