Yüksek yoğunluğa sahip seryum oksit bazlı elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

Abstract

Her geçen gün enerji kaynaklarına olan ihtiyaç daha çok artmaktadır. Özellikle gelişmekte olan ülkelerde nüfus artışı, sanayileşme, insanların refah düzeyinin yükselmesi ve teknolojik gelişmelere paralel olarak enerji ihtiyacı çok daha fazla olacaktır. Fosil enerji kaynaklarının dünyada ciddi çevre sorunlarına yol açması, rezervlerinin yakın gelecekte tükenecek olması, kaynak ülkelere bağımlılığın çeşitli ekonomik sorunlar oluşturması ve fiyat belirsizlikleri gibi nedenlerden dolayı yenilenebilir enerji kaynakları ilgi uyandırmıştır. Özellikle gelişmiş ülkelerde yenilenebilir enerji kaynakları olan rüzgar, jeotermal, güneş, dalga, hidrojen vb. enerji kaynakları başta elektrik üretimi olmak üzere farklı şekillerde kullanılmaktadır. Son zamanlarda tercih edilen yeni enerji üretim yollarından bir tanesi de yakıt hücreleridir. Yakıt hücresi çeşitlerinden biri olan Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYH) bir yakıtın kimyasal enerjisini elektrokimyasal yolla elektrik enerjisine dönüştüren, etkin ve temiz sistemlerdir.Son yıllarda araştırmacılar, katı oksit yakıt hücrelerinin operasyon sıcaklıklarının 500-800C aralığına düşürülmesi yönünde araştırmalara yoğunlaşmışlardır. Seryum oksit (CeO2) esaslı elektrolitler <800C sıcaklıkta yüksek iyonik iletkenlik göstererek umut verici malzeme olmuştur. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, elektrolitte oksijen boşluk miktarını dolasıyla iyonik iletkenliği arttırmak için, seryum okside yitrium, gadolinyum, samaryum gibi birçok katkının yapıldığı görülmektedir. Yapılan katkının tipine, miktarına ve sentezleme yöntemine bağlı olarak seryum oksit esaslı elektrolitler farklı elektrokimyasal özellikler göstermektedir.Bu çalışma kapsamında orta sıcaklıkta işletilen katı oksit yakıt hücreleri için yoğun yapılı, iyonik iletkenliği yüksek Ce0.80Sm0.20O1.90 (SDC) elektrolitleri Pechini ve Selüloz Yakma Yöntemleri kullanılarak sentezlenmiştir. Ayrıca iyonik iletkenliği daha da arttırmak amacıyla seryum oksit fazına Sm-Nd ve Gd-Sm elementlerinin ikili olarak eklenmesiyle yoğun yapılı seryum oksit elektrolit malzemeleri Pechini Yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Elde edilen katkılı seryum oksit esaslı elektrolit malzemeleri TG-DTA, XRD, FT-IR, SEM ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) analiz teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. EIS ile yapılan iyonik iletkenlik analizi sonucunda en yüksek iyonik iletkenlik değerini veren malzemenin Ce0.75Sm0.20Gd0.05O1.875 (SGDC5) olduğu ve iyonik iletkenliğinin 800C'de 6.035 x10-2 S.cm-1 olduğu belirlenmiştir.

The need for energy sources in the world is gradually increasing day by day. Demand for energy will be much more in the future, parallel to population growth especially in developing countries, industrialization, increased welfare and technological developments. Renewable energy sources have aroused interest due to reasons such as serious environmental issues caused by fossil energy sources, potentially decreasing reserves, various economic problems caused by dependency on source providing countries and price instability. In developed countries particularly, renewable energy sources such as wind, geothermal, solar and biomass energy, wave and hydrogen have been utilized in different forms, especially in electricity production. Fuel cell is one of the preferred ways of energy production in recent years. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs), one of the fuel cell types are the most efficient devices that convert the chemical energy of a fuel into electrical energy in a clean and cost-effective route.In recent years, researchers have focused on lowering the operating temperature of the SOFCs to 500-800C. Cerium oxide (CeO2) based electrolytes has been showing promising properties with high ionic conductivity at temperatures below 800°C. Considering the studies in the literature, in order to increase the ionic conductivity of cerium oxide, yttrium, gadolinium, samarium many additives are used to increase the oxygen vacancy in the electrolyte. With regard to the type, amount and method of additives, the cerium oxide-based electrolyte exhibit different electrochemical properties. In this work, Ce0.80Sm0.20O1.90 (SDC) electrolyte materials with high density and high ionic conductivity were prepared by using the Pechini and Cellulose Templating methods for solid oxide fuel cells operating at intermediate temperatures. Moreover, Sm-Nd co-doped and Gd-Sm co-doped cerium oxide electrolyte materials with high density were synthesized by using the Pechini method to enhance the ionic conductivity. All of the produced cerium oxide electrolyte materials were characterized with TG-DTA, XRD, FT-IR, SEM and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analyses techniques. According to the results of the EIS ionic conductivity analyses, Ce0.75Sm0.20Gd0.05O1.875 (SGDC5) sample was determined to be the material which showed the highest ionic conductivity. Ionic conductivity of SGDC5 was measured as 6.035 x 10-2 S.cm-1 at 800 °C.