Katı oksit yakıt hücreler için La1-xSrxFeO3 ince film katotlarının üretimi ve elektrokimyasal performansı

Abstract

Katı oksit yakıt hücreleri (KOYHlar) yüksek verimlilik ile kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. KOYHların ticarileşmesinin önündeki en büyük engel yüksek çalışma sıcaklıklarıdır (800-1000°C). Bu sıcaklıklarda KOYH bileşenlerinde meydana gelen mikroyapısal ve kimyasal bozulmalardan dolayı kısa sürede performans kayıpları yaşanmaktadır. Bu performans kayıplarının önüne geçmek için orta sıcaklıklarda (?700°C) düşük polarizasyon direnci gösteren yeni malzemelerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu malzemeler arasında La1-xSrxFeO3(LSF), karışık iyonik-elektronik iletkenlik göstermesi ve sıklıkla kullanılan elektrolit malzemesi Y2O3 katkılı ZrO2 ile olan kimyasal uyumundan dolayı umut vaat eden bir katot malzemesidir. Bu çalışmada, literatürde ilk defa, LSF katotlarının 700°C'de elektrokimyasal performanslarının zamanla nasıl değiştiği ve bu performans değişimlerinin mekanizmaları üzerine çalışılmıştır. LSF katotları film kaplamalar halinde polimerik öncü çözelti yöntemi ile azami 900°C gibi geleneksel yöntemlere göre çok daha düşük sıcaklıklarda üretilmiş, böylece yüksek yüzey alanı, dolayısıyla yüksek performans elde edilmiştir. LSF katotlarına performans testleri öncesinde uygulanan ısıl işlem sıcaklığının elektrotlar uzun süre 700°C'ye maruz bırakıldıklarında gerçekleşen faz kompozisyonu, mikroyapı, yüzey kimyası değişimleri üzerindeki etkileri ve bunların performans düşüş hızı ile ilgisi bu tez kapsamında irdelenmiştir. Gerçekleştirilen taramalı elektron mikroskobu ve x-ışını analizleri sonucunda mikroyapı evriminin ve faz kompozisyonundaki değişimlerin elektrokimyasal performans kararlılığı üzerinde oldukça az bir etkisi olduğu tespit edilmiştir. Öte yandan, x-ışınları fotoelektron spektroskopisi analizleri ısıl işlem sıcaklığına bağlı olarak LSF yüzeyindeki SrO/Sr(OH)2/SrCO3 gibi yalıtkan tabakaların oluşumuna neden olduğunu göstermiş ve bunun da elektrokimyasal performans kaybını en çok etkileyen faktör olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmadan elde edilen bilgilerin, orta sıcaklıkta performans kaybı göstermeksizin çalışacak KOYH katotlarının geliştirilmesi açısından katkı sağlayacağı düşünülmektedir.Solid oxide fuel cells (SOFCs) are devices that convert chemical energy directly into electrical energy with high efficiency. The biggest obstacle to the commercialization of SOFCs is thier high operating temperatures (800-1000°C). Microstructural coarsening and chemical degradation taking place at these temperatures induce performance loss in SOFCs. La1-xSrxFeO3 (LSF) is a promising cathode material that can exhibit high electrochemical performance even at ?700°C, owing to its mixed ionic-electronic conductivity and chemical compatibility with the most common electrolyte material, Y2O3 stabilized ZrO2 (YSZ). In this study, the changes in the electrochemical performance of LSF cathodes and their underlying mechanisms were investigated. LSF cathodes were fabricated in the form of thin films, by a polymeric precursor method which requires heat treatment temperatures that are much lower than those in the case of conventional fabrication methods (?900°C). This way high surface area and thus high electrochemical performance was achieved. The effects of pre-calcination temperature on the phase, microstructure and surface chemistry evolution and its correlation to performance degradation rates were studied. Scanning electron microscopy and x-ray diffraction analyses revealed that microstructure and phase evolution did not have a significant impact on the long-term performance loss of LSF electrodes. On the other hand, x-ray photoelectron spectroscopy analyses showed that insulative SrO/Sr(OH)2/SrCO3 layers forming at the LSF surface were largely responsible for long-term performance loss. Overall, it is our assessment that the information gathered in this study can be utilized to construct intermediate temperature SOFC cathodes with high performance and durabiliy.