CaO-XO-CoO (X= Na, Ba, Sr, La) faz diyagramlarının tespiti ve termoelektrik özelliklerinin incelenmesi

Hızla artmakta olan dünya nüfusunun enerji ihtiyacı da buna paralel olarak artış göstermektedir. Günümüzde en çok kullanılan enerji kaynağı olan fosil yakıtların CO2 salınımına neden olması, küresel ısınma ve çevre kirliliği gibi sonuçları beraberinde getirmektedir. Fosil yakıtların ve nükleer enerji kaynaklarının ekosistem üzerindeki bu negatif etkileri jeotermal, hidrotermal, rüzgar, güneş ve atık ısı geri kazanımı gibi geri dönüştürülebilir enerji kaynaklarının önem kazanmasını sağlamıştır. Bu alternatif enerji kaynakları arasından atık ısıyla enerjinin geri kazanımı, işleyen makinaların ve sürekli hareket halindeki parçaların çalışması sırasında yan ürün olarak elde edilen atık ısının yeni bir enerji türüne dönüştürülmesiyle elde edilir. Özellikle otomotiv sektöründe içten yanmalı motorların egzoz ve radyatör sistemlerinde dışarı atılan sıcak gazların geri dönüştürülmesi önemli bir atık ısı geri kazanımına olanak sağlamaktadır. Atık ısı geri kazanımında en çok kullanılanılan yöntemlerden biri termoelektrik modüllerden elektrik enerjisi dönüşümüdür. Termoeletrik modüllerin çalışma prensibi termoelektrik etkilere dayanmaktadır. Seebeck etkisine göre bir malzemenin iki ucu arasında bir sıcaklık gradyenti oluşturulması durumunda iki uç arasından elektriksel gerilim elde edilebileceği, Peltier etkisine göre ise tersi durumda, malzemenin iki ucu arasına elektriksel gerilim uygulanması durumunda malzeme üzerinde sıcaklık gradyenti yaratılacağı keşfedilmiştir. Termoelektrik modüller birbirinden farklı iki yarı iletken malzemenin birbirlerine elektriksel olarak seri, termal olarak paralel bağlanmasıyla elde edilir. Termal-elektriksel veya elektriksel-termal enerji dönüşümünün verimi ZT olarak adlandırılan bir katsayıyla belirlenir. ZT katsayısı kullanılan malzemelerin Seebeck katsayılarına, elektriksel dirençlerine ve termal iletkenlik katsayılarına bağlı değişim göstermektedir. Seebeck katsayısı artışı ZT değerini artırarak dönüşüm verimini de artırmakta, elektriksel direnç ve termal iletkenlikteki artışlar ise ZT değerini ve dönüşüm verimini düşürmektedir. Bu 3 parametrenin malzemenin mikro ve makroyapısal özelliklerine göre birbirlerine bağlı olarak değişim göstermesi malzeme özellik optimizasyonunu son derece zorlaştırmaktadır. Yalıtkan malzemelerin düşük termal iletkenlik katsayısına sahip olmalarına rağmen yüksek elekgriksel direnç göstermeleri, iletken malzemelerin ise düşük elektriksel dirence rağmen yüksek termal iletkenlik katsayılarına sahip olmaları bu malzemelerin termoelektrik modüllerde kullanımını sınırlamaktadır. Yarı iletkenler sahip oldukları optimum Seebeck katsayıları, elektriksel dirençleri ve termal iletkenlik katsayıları ile bu alanda en çok tercih edilen malzemelerdir. Literatürde yapılan çalışmalara bakıldığında en yüksek termoelektrik verimlerin başlangıçta Bi-Te bazlı malzemelerde belirlendiği görülmektedir. Fakat bu malzemelerin maliyetli, toksik oluşları ve yüksek sıcaklıkta bozulmaları sonucu termoelektrik verimlerinin de düşmesi farklı malzeme arayışlarını beraberinde getirmiştir. Oksit bazlı yarı iletken seramikler ucuz ve çevre dostu olmalarının yanı sıra yüksek sıcaklıkta kararlı kalarak ZT değerlerini korumaları nedeniyle son yıllarda termoelektrik malzeme alanında popüler hale gelmişlerdir. Son yıllarda yapılan çalışmalarda termoelektrik malzemelerin içerisinde yer alan şeklinde çözülen katkı elementlerinin termoelektrik özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Oksit esaslı seramikler arasından Ca3Co4O9, 926°C'ye yüksek termoelektrik verime ve otomotiv sektöründe aranan özelliklere sahip olması nedeniyle bu çalışmada ana malzeme olarak seçilmiştir. Literatürde (Ca1-xXx)3Co4O9 sisteminin termoelektrik özellikleri üzerine bir çok çalışma olsa da, CaO - XO - CoO (X=Na, Ba) üçlü sisteminin 800°C'deki faz diyagramı hakkında bir çalışma bulunmamaktadır. Bu yüksek lisans tezi kapsamında (Ca1-xXx)3Co4O9 (X = Na, Sr, Ba, La) malzemesi sol-jel yöntemiyle sentezlenip, tek eksen presleme ve sinterlemenin ardından yapısal, termal ve elektriksel karakterizasyon çalışmalarına tabi tutulmuştur. Bu çalışmayla, dört farklı katkı elementinin Ca3Co4O9'in termal iletkenlik ve elektriksel direnç değerleri üzerindeki etkisinin incelenmiş ve daha önce çalışılmamış CaO-Na2O-CoO ve CaO-BaO-CoO sistemlerinin 800°C'deki faz diyagramları tespit edilmiştir.