BaO-CeO2-SrO üçlü oksit sisteminde faz dengelerinin deneysel incelenmesi

Gelişen dünya teknolojisiyle beraber enerjiye olan ihtiyaç günden güne artmaktadır. Sanayinin insan hayatındaki önemli yeri var olmaya başladığından beri, enerji vazgeçilmez bir ihtiyaç haline gelmiştir. Enerji üretimi doğadaki karbon kaynaklarının kullanılmasıyla başladıysa da sonrasında fosil yakıtların kullanılması ile devam etmiştir. Fakat yanma sonucunda ortaya çıkan gazlar ve atıklar çevre için ileri seviyede tehlike oluşturmaktadır. Tüm bu sebeplerden ötürü insanoğlu yenilenebilir, sürekli ve temiz enerji üretmeyi kendine hedef kılmıştır. Bu hedef doğrultusunda bugün güneş panellerinden elektrik üretimi, rüzgar türbinlerinden enerji eldesi gibi birçok yöntem keşfedilmiştir. Yakıt hücreleri temiz enerji üretirler ve yakıt beslemesi ile sürekli enerji üretebilirler. Çevre dostu olan bu sistemler aynı zamanda yüksek verimle çalışırlar. Yakıt hücreleri kimyasal enerjiyi elektrokimyasal ve sürekli olarak elektrik enerjisine çeviren cihazlardır. Bir pil sistemi gibi anot, katot ve bunların elektrokimyasal olarak tepkime vermesini önleyen iyon ya da proton taşıma özelliği bulunun elektrolitlerden oluşur. Yakıt olarak hidrojen, karbonmonoksit, metanol, karbondioksit ve su karışımı tarzında yakıtlar kullanır. Yakıt hücrelerinde atık olarak su oluşur. Katı oksit yakıt pilleri, yakıt pillerinin içerisinde aşağıdaki avantajlardan dolayı en çok tercih edileni olmuştur;  Tüm bileşenleri katıdır. Bu yüzden elektrolit kaybı ya da elektrot korozyonu söz konusu değildir.  Yüksek sıcaklıkta çalıştığından yüksek fiyatlı katalizörlere (platin ya da rutenyum gibi) gerek kalmaz.  Yüksek sıcaklıkta çalıştığından impurite toleransı fazladır.  Doğalgaz yakıt olarak kullanılabilir.  Atıkları çevreye duyarlıdır. Katı oksit yakıt pillerinin avantajları olduğu gibi dezavantajları da vardır. Bunlar;  Yüksek maliyetli kurulum,  Karmaşık imalat yapısı,  Yüksek sıcaklıkta çalıştığından dolayı elektrolit, anot ve katodun termodinamik olarak dengede tutulma ve operasyon şatlarında çalıştırma zorluğudur. Katı oksit yakıt pillerinde yüksek çalışma sıcaklıklarını düşürmek ve iletkenliği arttırmak için farklı elektrolitler kullanılmıştır. BaCeO3, SrCeO3, BaZrO3, CaZrO3, Y2O3 ve SrZrO3 bunlara örnek olarak gösterilebilir. Bu seramiklerin en önemli özellikleri iyi iletken olmalarıdır. Yakıt pillerinin çalışma sıcaklıklarının yüksek sıcaklıklara kadar çıktığı düşünülürse, bu sıcaklıklardaki malzeme davranışını anlayabilek için termodinamik incelemeler gerekmektedir. Bileşiklerin yüksek sıcaklıklardaki davranışını izlemek için literatürde yapılmış birçok çalışma bulunmaktadır. Faz diyagramlarının oluşturulması, izotermal kesitlerin belirlenmesi bu açıdan önemlidir. Bu çalışmada anot, katot ve elektrolit çalışmasını optimize edebilmek ve ara yüzeyde oluşabilecek sorunları giderebilmek adına literatürde ilk kez BaO-SrO-CeO2 üçlü faz sistemi incelenmiştir. Bu üçlü sisteme literatürde daha önce rastlanmamıştır. Üçlü faz diyagramı oluşturulurken XRD, SEM ve EDS analizleri kullanılmıştır. Hazırlanan numuneler (BaxSr1-x)CeO3 perovskit yapısına göre hazırlanmış ve karakterize edilmiştir. Katı hal reaksiyonu ile hazırlanan numuneler, BaCeO3, CeO2, SrCO3 tozlarının alkol ile gezegen değirmen kullanılarak 300 rpm ve 3,5 saat parametreleri ile karıştırılmıştır. 150 °C de 24 saat kurutulan karışım, 775 °C de 8 saat ve 1100 derecede 12 saat kalsine edilmiştir. Tozlar soğuk izostatik pres ile 400 MPa basınç altında preslendikten sonra peletler oluşturulmuş, 1100 °C, 1200 °C, 1300 °C de 48 saat sinterlenmiştir. Baryumca zengin taraflarda hedef bileşene ulaşılamadığından sol-jel yöntemi ile ilgili bölgeden 10 adet numune sentezlenmiş ve aynı kalsinasyon ve sinter sıcaklıkları ile numuneler oluşturulmuştur. Ardından faz diyagramının değişik bölgelerinden numunelerin karakterizasyonu XRD, SEM ve EDS yöntemleri ile gerçekleştirilmiş ve öngörülen izotermal kesit oluşturulmuştur. Sonuç olarak, tez kapsamında literatürde ilk kez (BaxSr1-x)CeO3 faz diyagramı 1300 °C izotermal kesitinde çizilmiştir. Sıcaklığın çözünürlük üzerindeki etkisinin sınırlı olduğu gözlemlenmiştir. İzotermal kesit içerisinde 3 fazlı bölgeler, çift fazlı bölgeler ve tek fazlı bölgeler tespit edilmiştir. (BaxSr1-x)CeO3 kompozisyonunda yapılan 0.1 mol değişimler ile bu bölgedeki çözünürlük sınırları anlaşılmaya çalışılmıştır. 1300 °C için yapılan karakterizasyonlar sonucunda belirli bölgelerde (Ba,Sr)O3 katı eriyiğine rastlanmıştır. Baryum içerisinde stronsiyum çözünürlüğünün fazla, stronsiyum içerisinde ise baryum çözünürlüğünün az olduğu tespit edilmiştir. Faz diyagramının seryum yoğun bölgesinde (Ba,Sr,Ce)O3 katı eriyiği tespit edilmiş olsa da seryum içerisindeki baryum ve stronsiyum çözünürlüğünün sınırlı olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca faz diyagramının stronsiyum yoğun bölgelerinde SrCeO3 fazının yanı sıra Sr2CeO4 katı eriğine rastlanmıştır. İzotermal kesit içerisinde baryum yoğun olarak üretilen numunelerde, baryumun hidratlaşmaya karşı gösterdiği düşük dayanım sebebi ile hacim artışı meydana getirdiği ve bu sebeple mukavemetinin düşük olduğu gözlemlenmiştir.