Sianipar, Rogabe (2025) Fabrications and Characterizations of Highly Ordered Metallic Tube Array on Thermoelectric and Solid Oxide Fuel Cell Electrolyte Materials. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
|
Text
6011232014-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (6MB) | Request a copy |
Abstract
Peningkatan efisiensi konversi energi pada material termoelektrik dan sel elektrolit bahan bakar oksida padat (SOFC) masih menjadi tantangan utama akibat keterbatasan dalam manajemen termal, aktivitas katalitik, dan transport muatan antarmuka. Salah satu solusi yang menjanjikan adalah penerapan penopang permukaan untuk memperluas luas antarmuka aktif serta memperbaiki jalur transport elektron dan ion. Penelitian ini mengeksplorasi fabrikasi susunan tabung logam yang tersusun rapi pada material termoelektrik maupun SOFC sebagai pendekatan baru untuk mengoptimalkan kinerjanya. Susunan tabung logam difabrikasi melalui deposisi berurutan, melibatkan lapisan titanium untuk adhesi yang kuat, lapisan berbasis tungsten untuk meningkatkan stabilitas struktural dan transport elektron, serta lapisan nikel murni guna memberikan aktivitas katalitik yang tinggi. Sebelum proses deposisi, permukaan substrat dipoles untuk meningkatkan kerataan, sehingga memungkinkan pertumbuhan susunan tabung logam secara seragam hingga sekitar 88% dari luas permukaan. Karakterisasi dilakukan menggunakan mikroskop laser konfokal, scanning electron microscopy (SEM), analisis sudut kontak air (WCA), pengukuran elektrokimia (EIS dan analisis I-V ~ I-P), serta pengukuran konduktivitas termal dengan metode laser flash analysis. Pada material termoelektrik, sampel Bi0.5Sb1.5Te3 menunjukkan penurunan konduktivitas termal dari 1.47 W/m·K menjadi 1.27 W/m·K setelah pertumbuhan susunan tabung logam, yang mengindikasikan peningkatan hamburan fonon. Sebaliknya, sampel Bi2Te2.7Se0.3 mengalami kenaikan dari 1.19 W/m·K menjadi 1.48 W/m·K, yang menunjukkan adanya interaksi material-antarmuka yang berbeda. Untuk elektrolit SOFC, seluruh sel dioperasikan dalam kondisi identik: aliran hidrogen 75 sccm, udara 140 sccm, penyegelan pada suhu 750°C, dan operasi pada 650°C. Sel SOFC dengan susunan tabung logam berbasis nikel menunjukkan kinerja elektrokimia tertinggi, dengan densitas daya puncak sebesar 144.3 mW/cm2 dan OCV sebesar 0.894 V. Hasil ini menunjukkan bahwa integrasi susunan tabung logam pada substrat yang dipoles secara efektif meningkatkan sifat termal dan elektrokimia melalui peningkatan luas permukaan. Pendekatan susunan tabung logam ini memiliki potensi besar untuk pengembangan teknologi material elektrolit termoelektrik dan SOFC.
=====================================================================================================================================
Enhancing energy conversion efficiency in thermoelectric and solid oxide fuel cell (SOFC) electrolyte materials remains a key challenge due to limitations in thermal management, catalytic activity, and interfacial charge transport. One promising solution is the application of surface support to expand the active interface area and improve electron and ion pathways. This study explores the fabrication of highly ordered metallic tube array grown on both thermoelectric and SOFC electrolyte materials as a novel approach to optimizing their performance. A metallic tube array was fabricated through sequential deposition involving a titanium layer for strong adhesion, a tungsten-based layer to improve structural stability and electron transport, and a pure nickel layer to provide high catalytic activity. Before deposition, the substrate surfaces were polished to enhance flatness, allowing for uniform growth of a metallic tube array across approximately 88% of the surface area. Characterization techniques included laser confocal microscopy, scanning electron microscopy (SEM), water contact angle (WCA) analysis, electrochemical measurement (EIS and I-V ~ I-P analysis), and thermal conductivity measurement using laser flash analysis. On thermoelectric materials, Bi0.5Sb1.5Te3 samples exhibited a thermal conductivity decrease from 1.47 W/m·K to 1.27 W/m·K after metallic tube array growth, indicating increased phonon scattering. In contrast, Bi2Te2.7Se0.3 samples showed an increase from 1.19 W/m·K to 1.48 W/m·K, suggesting a distinct material-interface interaction. For the SOFC electrolyte, all cells were operated under identical conditions: hydrogen at 75 sccm, air at 140 sccm, sealing at 750°C, and operation at 650°C. The SOFC Ni-metallic tube array cell demonstrated the highest electrochemical performance, with a peak power density of 144.3 mW/cm2 and an OCV of 0.894 V. These results indicate that the integration of the metallic tube array on polished substrates effectively enhances thermal and electrochemical behavior by increasing surface area. This metallic tube array approach shows strong potential for advancing thermoelectric and SOFC electrolyte materials technologies.
| Item Type: | Thesis (Masters) |
|---|---|
| Uncontrolled Keywords: | Electrolyte, Metallic tube array, Solid oxide fuel cell, Thermoelectric material, Elektrolit, Metallic tube array, Sel elektrolit bahan bakar oksida padat, Material termoelektrik. |
| Subjects: | Q Science > QC Physics > QC610.3 Electric conductivity T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2931 Fuel cells T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK2950 Thermoelectric materials. T Technology > TK Electrical engineering. Electronics Nuclear engineering > TK7878 Electronic instruments |
| Divisions: | Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Material & Metallurgical Engineering > 27101-(S2) Master Thesis |
| Depositing User: | Rogabe Sianipar |
| Date Deposited: | 27 Jan 2026 07:27 |
| Last Modified: | 27 Jan 2026 07:27 |
| URI: | http://repository.its.ac.id/id/eprint/130541 |
Actions (login required)
![]() |
View Item |
