FBE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Akyıl, Can" ile FBE- Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeMetalik kalayın asidik çözeltiler içerisinde anodik davranışının incelenmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Akyıl, Can ; Ürgen, Mustafa Kamil ; 10301750 ; Metalurji ve Malzeme Mühendisliği ; Metallurgical and Materials EngineeringKalay oksitler, sitokiyometrelerine bağlı olarak p ve n tipi yarı iletken davranış gösterebilen, termodinamik olarak kararlı malzemelerdir. Bu özellikler onları kimyasal sensörler, süper kapasitörler ve lityum iyon piller gibi çeşitli uygulamalar için çekici bir malzeme haline getirmektedir. Kalay oksitlerin sensör olarak performanslarının iyileştirilmesi için kullanılan yaklaşımlardan bir tanesi, malzemenin yüzey alanının arttırılmasıdır. Yüksek yüzey alanına sahip kalay oksitlerin (SnOx) üretimi, fiziksel buhar biriktirme, buhar taşıma ve hidrotermal metotlar ile yapılabilmektedir. Elektrokimyasal üretim yöntemleri ise bu yöntemlere iyi bir alternatiftir ancak, kalayın karmaşık çözülme mekanizması, kalın ve sürekli bir tabaka halinde büyümesini engelleyen önemli bir faktördür. Sn – H2O Pourbaix diyagramına göre nötr çözeltilerde kalay pasif hale gelmektedir, dolayısıyla nötral çözeltilerde anodik oksidasyon uygulaması, yoğun ama ultra ince film oluşmasına neden olur. Asidik çözeltilerdeki metalik kalayın anodik polarizasyonu sırasında, potansiyele bağlı olarak çözünmeyen Sn+2 ve Sn+4 oksitleri veya anodik hidroksitlerin üretilebilmesi mümkündür. Daha önceki çalışmalar göstermiştir ki, asidik çözeltilerde kalayın yüksek çözünme oranı ve oksitlerin gözenekli ve yapışmayan yapısı, malzeme yüzeyinde sürekli bir oksit tabakasının oluşmasını engellemektedir. Bu veriler ışığında, asidik çözeltilerde kalın kalay oksit tabakalarının oluşturulması, kalayın çözünme hızının düşürülmesi ve / veya oksit tabakasının yoğunluğunun ve yapışmasının arttırılması ile mümkündür. Çalışmanın amacı, metalik kalayın anodik oksidasyonu yöntemi ile asidik çözelti içerisinde yüksek yüzey alanına sahip kalın kalay oksit filmlerinin üretilmesi için strateji geliştirmektir. Kalayın çözünme hızının düşürülmesi amacıyla çözeltiye kalay iyonu ve jelatinimsi kalay hidroksitler eklenmiş ve yüzeyde oluşan oksihidroksit tabakasının geçirgenliğinin azaltılması sağlanmıştır. Bu yaklaşım daha önce literatürde yer almamaktadır. Kalayın anodik oksidasyon çalışmaları için 1-2 cm2 aktif alanla yüksek saflıkta kalay folyolar (Kalay miktarı ağırlıkça % 99.9) kullanılmıştır. Katot tarafı elektrolit konsantrasyonu 30 g/l H2S04 olarak sabit tutulmuş ve deneylerin tümü için 500 ml hacimli su ceketli bir membran hücre kullanılmıştır. Yapılan tüm anodik polarizasyon çalışmaları sırasında elektrolitin sıcaklığı 15 ° C'de (+/- 1) tutulmuştur. Karşı elektrot, yüzey alanı 5 cm2 olan paslanmaz çelik (316 L) olarak seçilmiş ve numunelerin aşırı ısınmasını önleyerek konsantrasyon gradyanı oluşumunu engellemek için, polarizasyon sırasında kuvvetli hava uygulanmıştır. Potansiyodinamik ve potansiyostatik modlarda bir potansiyostat (Voltalab PGZ 301 Voltammetry) kullanılarak polarizasyon çalışmaları yapılmış ve çalışmalar sırasında cıva/cıva sülfat (Hg / Hg2S04, standart hidrojen elektroduna göre E=0,6151V) referans elektrodu (Monokrystaly RME 121) olarak kullanılmıştır. Farklı elektrolitlerde anodik polarizasyondan sonra elde edilen oksit filmlerin ve bunların ısıl işlem görmüş versiyonlarının kimyası, fiziksel yapısı ve morfolojisi, 632.8 nm çizgisine sahip He-Ne lazeri kullanılarak mikro Raman spektroskopisi (Horiba Yvon HR800 UV) ile karakterize edilmiştir. Ayrıca fiziksel yapı ve morfolojileri de Taramalı Elektron Mikroskobu (Jeol JSM 5410) ile karaterize edilmiştir. Yapılan kimyasal ve yapısal karakterizasyon adımlarından sonra, numuneler kompleks oksit-hidroksit filminin Sn02'ye dönüştürülmesi için atmosferik koşullar altında 3 saat boyunca 800 ° C'de ısıl işleme tabi tutulmuş ve dönüşüm Cu Ka radyasyonu (Philips PW 3040) kullanılarak XRD doğrulanmıştır.Anodik polarizasyon deneylerinde farklı serbest sülfürik asit ve çözünmüş kalay konsantrasyonlarında 25 mV / sn tarama hızında potansiyodinamik polarizasyon kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucunda çözünmüş kalay iyonu miktarının çözünme miktarını belirgin şekilde düşürdüğü ve pasifleşmeyi kolaylaştırdığı belirlenmiştir.Ancak 30 g/l üzerinde çözünmüş kalay iyonu miktarının, membran olmasına rağmen katot üzerinde dendrit oluşumuna yol açarak hücrede kısa devre yaptırdığı anlaşılmıştır. Bu deneylerin sonuçları her ne kadar geçersiz olsa da, deneyler sırasında pasifleşmenin daha hızlı olduğu ve özellikle 60 g/l çözünmüş kalay konsantrasyonunun üzerindeki çözeltiler içerisinde, sarı kolloidal partiküllerin oksidasyon sonucu oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu gözleme dayanarak kalay anodun çözünme hızını sınırlandırmak ve film oluşumunu arttırmak için 30 g / l çözünmüş kalay içeren çözeltiye H202 ilave edilerek çözelti içerisindeki kalayın jelatinimsi koloidal Sn (OH)4 parçacıklarına oksitlenmesi sağlanmış ve nihai çözelti hazırlanmıştır. H202 ilavesi, çözelti içerisinde tespit edilen çözünmüş kalay içeriği, 0 g / l olana kadar hacimsel titrasyon yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir Kalay anotlar, 40 dakika boyunca 650 mV yük altında (Hg / HgS04 referans elektroda göre) koloidal Sn(OH)4 partikülleri içeren bu çözeltide polarize edilmiş ve zamana bağlı anodik akım sonuçları incelenmiş, çözeltideki Sn(OH)4 koloidal partiküllerin pasivasyon davranışı üzerindeki pozitif etkisi belirlenmiştir. Bu çözeltide polarize edilen numune yüzeyinde, 10 dakikalık polarizasyondan sonra pasifleşmenin oluştuğu ve akım düşüşü hızının diğer örneklere göre 2,5 kat daha kısa sürdüğü anlaşılmıştır. Bahsi geçen numunenin yüzeyinde 40 dakikalık polarizasyon sonucunda oluşan film fiziksel olarak yüzeyden alınmış ve desteğe ihtiyaç duymayan bu filmin karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. 100-150 mikron kalınlığa ulaştığı belirlenen filmin temel olarak iki yapı ihtiva ettiği, yapılan EDS ve Raman analizleri ile bulunmuştur. Elektrolit tarafına bakan yüzünde koloidal Sn(OH)4 partiküllerinin de katılımı ile kompleks ve ince bir kalay oksihidroksit yapısı oluşturmuştur. Bu yapının yüzeyi kaplaması ve literatürde de belirtildiği gibi geçirgenliği azaltması ile metalik kalay anot yüzeyinde oluşan aşırı doygun bölgede ise visker yapıda kalay sülfat kristallerinin oluştuğu belirlenmiştir. Yapılan Raman incelemeleri elde edilen filmin genel yapısının kalay oksihidrosit-sülfat olduğunu göstermiştir. Elde edilen karma yapılı filmin literatürde bahsedildiği üzere ısıl işlem ile kristalin SnO2'ye dönüştürülmesi bir sonraki adım olarak planlanmıştır. Atmosfere açık olarak 800°C'de 3 saat boyunca uygulanan ısıl işlem sonucunda yapılan XRD ve Raman analizleri, elde edilen kalay oksihidrosit-sülfat yapısındaki 100-150 mikron kalınlığında viskerler içeren filmin tümüyle rutil yapıda kristalin SnO2'ye başarı ile dönüştürülebildiğini göstermiştir. Çalışmanın sonucunda, asidik çözelti içerisinde kalay hidroksit varlığı ile visker tipi büyüme arasındaki ilişki ortaya konmuştur. Farklı çözeltilerde elde edilen sonuçlara dayanarak, kalay hidroksitlerin anodik oksit filmlerin bütünlüğü ve geçirgenliği üzerindeki rolüne dayalı bir mekanizma önerilmiştir. Kompleks kalay oksi-hidroksit yapılarının ve kalay sülfat kristallerinin visker halinde çökmesi, kalay yüzeyinde oluşan poröz yapılı, kararlı anodik oksit filminin sağladığı düşük geçirgenlik sayesinde sağlanmıştır. Bu filmler uygun ısıl işlem ile kristallin Sn02'ye dönüştürülebilme kabiliyetine sahiptir. Uygulanabilirliği yüksek bu yöntem, diğer visker tipi kalay oksit üretim yöntemlerine bir alternatif olabilir.