YMN59 YAKIT HÜCRELERİ İÇİN NANO BOYUTTA YİTRİYUM OKSİT STABİLİZE ZrO 2 () ELEKTROLİT HAZIRLAMA YÖNTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI S. Vatansever, F. Öksüzömer, S.N. Koç, M.A. Gürkaynak İstanbul Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü Avcılar Kampus 34320 İstanbul e-posta : sibelvts@gmail.com ÖZET Bu araştırmada elektrolit hazırlama çalışmaları incelenecek ve kullanılan yöntemlerin karşılaştırılması yapılacaktır. Bu yöntemlerden en etkin olan 2 yöntem, laboratuar ortamında denenerek yöntemlerin uygulanabilirliği ve farklı mol oranlarında ilave edilen Yitrium elementinin yapıya kazandırdığı özellikler incelenecektir. Anahtar kelimeler : Elektrolit, katı yakıt hücreleri, nano 1. GİRİŞ Dünyada fosil enerji kaynaklarının giderek azalması, buna karşılık endüstrileşmenin giderek artması sürdürülebilir alternatif yeni enerji kaynaklarını gerekli kılmaktadır. Gelecekte dünyanın enerji ihtiyacının büyük bir kısmının hidrojen enerjisi teknolojileriyle karşılanması beklenmektedir. Bu nedenle yakıt hücrelerinde kullanılacak olan katı oksit elektrolitler (SOFC) büyük önem taşımaktadır. Bu sayede verimli, ekonomik, sessiz ve çevreye duyarlı çalışan yakıt hücreleri yeni bir enerji teknolojisi olarak giderek daha yaygın bir şekilde kullanım alanı bulacaktır. Katı oksit yakıt hücresi elektrolitinin esas fonksiyonu anot ve katot arasında iyonların iletilmesini sağlamaktır. Elektrolit; üretilmiş iyonları bir elektrottan diğerine iletir, böylece yakıt hücresinin elektrik devresini tamamlaması sağlanır. Elektrolit yakıt ile oksidantı birbirinden ayıran kısımdır. Yani elektrolit materyali hem indirgen hem de yükseltgen ortamda kimyasal ve yapısal olarak kararlı olmalıdır ve reaksiyon şartlarında iletkenlik göstermelidir. Elektrolit materyali, oda sıcaklığı ile operasyon sıcaklığı arasında herhangi bir yapısal değişiklik göstermemelidir. Elektrolit, hem indirgen hem de yükseltgen ortamda ve katı oksit yakıt hücresi (SOFC) nin reaksiyon sıcaklığında iyonik iletkenliğe sahip olmalıdır. Ayrıca elektrolit ihmal edilebilir düzeyde elektronik iletkenliğine sahip olabilir. Elektrolitin iletkenliği uzun bir periyotta değişmemelidir. Elektrolit, yakıt hücresinin diğer bileşenleri ile kimyasal
olarak uyumlu olmalıdır. Elektrolit yoğun bir yapıya sahip olmalıdır. Gözeneklilik içermemelidir. Elektrolit oda sıcaklığı ile reaksiyon sıcaklığı arasında hem yakıt hem de oksidant ortamında hava ve su sızdırmaz özelliğe sahip olmalıdır. Bu özelliklerinin yanı sıra SOFC elektroliti; yüksek dayanıma, tokluğa, üretilebilirliğe ve düşük fiyat özelliğine sahip olmalıdır [1]. Literatür incelemeleri sonucunda bu elektrolit özeliklerini en iyi elektrolit sağlamaktadır. 2. BULGULAR 2.1. Nano Boyutta Hazırlama Yöntemlerini Karşılaştırılması Nano boyutta hazırlanmasında sol-gel, mikroemülsiyon, birlikte çöktürme ve hidrotermal yöntemleri kullanılmaktadır. Çizelge 1. Nano boyutta hazırlama yöntemleri karşılaştırması [2-10] YÖNTEM ADI PARTİKÜL BOYUTU YÖNTEMİN AVANTAJLARI YÖNTEMİN DEZAVANTAJLARI SOL-GEL 25 nm - 1 micron * Ürün saf ve homojen olarak elde edilir. * Partiküller küresel (spherical)şekilli olarak sentezlenebilirler. * Düşük sinterleme sıcaklığında çalışma olanağı sağlar. _ Kullanılan malzemeler ve çöktürücüler pahalı kimyasallardır. MİKRO-EMÜLSİYON 10 nm - 150 nm * Saf, dispers ve homojen emülsiyonlar oluşur. * Partikül boyutu metal konsantrasyonu ve sıcaklık değiştirilerek istenilen boyuta ayarlanabilmktedir. * Üniform yapı elde edilir. _ Kullanılan malzemeler ve çöktürücüler pahalı kimyasallardır. _ Fazlar arası stabiliteyi sağlamak güçtür. BİRLİKTE ÇÖKTÜRME Geniş partikül aralığı * Yoğunluğu daha yüksek elde edilir. * Geniş partikül boyut aralığı oluşturmaktadır. * Küresel (spherical) şekilli partikül üretilebilmektedir. * Film halinde üretilebilmektedir. _ Deney aşamalarını kontrol etmek zordur. _ Kristal yapı kontrolü oldukça zordur. _ Kolloid stabilitesini sağlamak güçtür. _ Çoğunlukla makro boyuta yakın partiküller elde edilmektedir. HİDROTERMAL METOD Ortalama 80 nm * Doğruca nano boyutlu partikül üretilebilmektedir. _ Y/Zr oranı kontrol edilemez. _ Donanım ve enerji maliyeti çok yüsektir.
2.2. Deneysel 2.2.1. Sol Gel Yöntemi ZrCl 4 Çözeltisi YCl 3.6H 2 O Çözeltisi Manyetik Karıştırma Karışım 1 Manyetik Karıştırma Karışım 2 80 0 C Karıştırma Jel Oluşumu Kurutma Kalsinasyon XRD Analizi Şekil 1 Sol Gel Yöntemi İle Hazırlanışının Şematik Gösterimi
2.2.2. Mikroemülsiyon Yöntemi n-oktan n-oktan Triton X-100 Triton X-100 Heksanol Heksanol ZrCl 4 Çözeltisi NH 4 OH Karışım 1 Karışım 2 YCl 3.6H 2 O Çözeltisi İlave Etme Geri Soğutuculu Reaktörde 2h Beyaz Çökelti Santrifüj Kurutma Kalsinasyon XRD Analizi Şekil 2 MikroemülsiyonYöntemi İle Hazırlanışının Şematik Gösterimi
3. SONUÇLAR Sol-gel, mikroemülsiyon ve hidrotermal yöntemleri nano boyutta elde etmede daha avantajlıdır. hazırlanmasında spark plazma, microwave v.b yöntemlerde kullanılmasına karşın, bu yöntemler özel teçhizat gerektirdiklerinden ve maliyeti arttırdıklarından dolayı inceleme kapsamına alınmamıştır. Ayrıca sol-gel ve mikroemülsiyon yöntemleriyle uniform yapılar elde edilir[2,3,4]. En etkin ve uygulanabilir yöntemler olarak sol-gel ve mikroemülsiyon yöntmleri seçilmiştir. Sol-gel ve mikroemülsiyon yöntemleri ile hazırlamış olduğumuz nano boyuttaki toz numunelerin analiz sonuçları Tablo 2 de görülmektedir. Kristal boyutları birbirlerin oldukça yakınlık göstermekle beraber mikroemülsiyon yöntemi ile daha üniform yapılar elde edilmiştir. Her iki yöntemde de elde edilen toz numunelerin saflıkları oldukça yüksektir. Çizelge 2. Denemeler İle Elde Edilen Elektrolitlerin XRD Analiz Sonuçları %Y Miktarı Kristal Boyutu Sol Gel Yöntemi Mikroemülsiyon Yöntemi % 3 15.4 nm 15.6 nm % 5 11.2 nm 14.1 nm %8 11.5 nm 11.4 nm %10 10.1 nm 13.5 nm
Bu çalışma Tubitak tarafından 105M051nolu ve İstanbul Üniversitesi Bilimsel Projeleri Birimi tarafından 469/27122005 nolu proje ile desteklenmektedir. 4. KAYNAKLAR [1] Subhash Singhal and K.Kendall High Temperature SOFC,ISBN 1856173879 [2] L.Gao,W.Li,J.Wang ang J.K.Guo.Journal of Nanoparticle Research1, 349-352,1999 [3] J.A. Wang, M.A. Valenzuela, J. Salmones,A. Vázquez, A. Garc ıa-ruiz, X. Bokhimi Catalysis Today 68 (2001) 21 30 [4] Ch.Laberty- Robert,F.Ansart,C.Deloget,M.Gaudon,A.Rousset,Material Research Bullettin,36(2001)2083Gang Xu,Yawen Zhang.ChunshengLiao, ChunhuaYan J.Am.Ceram. Soc. 85(4)995-97 [5] Clifford Y. Tai, Bor-Yuan Hsiao, Hsien-Yi ChiuColloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 237 (2004) 105 111 [6] Xianshuang Xin a,b, Zhe Lu a,b, Xiqiang Huang a,b, Xueqing Sha a,b,yaohui Zhang a,b, Wenhui Su Influence of synthesis routes on the performance from weaklyagglomerated yttria-stabilized zirconia nanomaterials [7] Jing Yang, Jianshe Lian, Qizhi Dong, Qingfeng Guan, Jiwei Chen, Zuoxing Guo Materials Letters 57 (2003) 2792 2797 [8] Christopher N. Chervin,Brady J. Clapsaddle,Hsiang Wei Chiu, Alexanderoe H. Satcher,Jr.,and Susan M. Kauzlaric Chem. Mater. 2005, 17, 3345-3351 [9] R Allen Kimel; James H Adair American Ceramic Society. Journal of the American Ceramic Society; May 2005; 88, 5; ProQuest Science Journals 1133 [10] Pedro Tartaj J. Am. Ceram. Soc., 88 [1] 222 224 (2005)