Ανάπτυξη φωτοανόδων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε φωτοκυψέλες καυσίμου

• Κύριος συγγραφέας: Ιωαννίδου, Ευαγγελία
• Άλλοι συγγραφείς: Κονταρίδης, Δημήτριος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Φωτοηλεκτροκατάλυση; Φωτο-κυψέλες καυσίμου; Φωτοάνοδοι TiO2; Προ-ανηγμένο TiO2; Φωτο-ηλεκτροχημική διάσπαση του Η2Ο; Photoelectrocatalysis; Photo-fuel cells; TiO2 photoanodes; Partially reduced TiO2; WO3-TiO2; Photo-electrochemical H2O splitting; 621.312 429

Η διεργασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ή/και υδρογόνου με χρήση φωτοκυψελών καυσίμου (photo-fuel cells, PFCs) μελετάται εκτενώς τα τελευταία χρόνια ως μια εναλλακτική και περιβαλλοντικά φιλική μέθοδος μετατροπής και αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας με ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων. Οι ερευνητικές προσπάθειες επικεντρώνονται στην ανάπτυξη φωτοανόδων με κατάλληλα χαρακτηριστικά όπως απόκριση στην ηλιακή ακτινοβολία, υψηλή ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα και (φωτο)χημική σταθερότητα σε συνθήκες λειτουργίας. Μεταξύ των υλικών που έχουν προταθεί για το σκοπό αυτό, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει προσελκύσει το μερικώς ανηγμένο διοξείδιο του τιτανίου (black TiO2), καθώς και φωτοκαταλύτες διοξειδίου του τιτανίου ενισχυμένοι με μέταλλα ή αμέταλλα. Η εργασία αυτή αφορά στο φυσικοχημικό και φωτοηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό φωτοανόδων που βασίζονται στο TiO2, σε διάλυμα ηλεκτρολύτη 0.1 M ΝaΟΗ απουσία ή παρουσία αιθανόλης (0.17 M EtOH). Ως πρόδρομο υλικό χρησιμοποιήθηκε εμπορικό TiO2 (Degussa P-25) που πυρώθηκε είτε σε αναγωγική ατμόσφαιρα Η2 είτε στον αέρα στο εύρος 500-800 oC για 5 h. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση της ενίσχυσης φορέα TiO2 (Degussa P-25) με ιόντα υψηλότερου σθένους (W6+) από το μητρικό κατιόν (Ti4+). Η επίδραση της θερμοκρασίας πύρωσης, στην τελευταία περίπτωση μελετήθηκε στην περιοχή 600-900 οC (5 h) για καταλύτη 4 % κ.β. WO3/TiO2, ενώ η επίδραση της φόρτισης του WO3 μελετήθηκε στο εύρος 1-6 % κ.β. για δύο συγκεκριμένες θερμοκρασίες (700 και 800 οC). Τα υλικά που ελήφθησαν χαρακτηρίστηκαν με τις τεχνικές BET, DRS, XRD και SEM. Ακολούθησε διασπορά των κόνεων σε κολλοειδές διάλυμα, εφαρμογή της πάστας που προέκυψε πάνω σε υάλινο αγώγιμο υπόστρωμα (Fluorine-doped Tin Oxide, FTO) ή σε αγώγιμο φύλλο τιτανίου (Ti sheet) και εξάτμιση του διαλύτη προς σχηματισμό υποστηριγμένων λεπτών υμενίων. Τα υμένια αυτά χρησιμοποιήθηκαν ως φωτοάνοδοι (ηλεκτρόδια εργασίας) σε φωτοαντιδραστήρα τριών ηλεκτροδίων και χαρακτηρίστηκαν με φυσικοχημικές και φωτοηλεκτροχημικές μεθόδους. Το βοηθητικό ηλεκτρόδιο ήταν ένα φύλλο Pt, ενώ το ηλεκτρόδιο αναφοράς ήταν ηλεκτρόδιο KCl (3 M) Ag│AgCl. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιήθηκε υδροξείδιο του νατρίου (0.1 Μ, pH=13), που κατά περίπτωση περιείχε αιθανόλη (0.17 M). Ως πηγή ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκε, είτε ένα UV-LED το οποίο εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία σε μια στενή περιοχή μηκών κύματος στην περιοχή που απορροφά το TiO2 (λmax=365 nm), είτε λαμπτήρας που προσομοιώνει την ηλιακή ακτινοβολία (λάμπα τόξου Xe). Ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός περιελάμβανε κύρια καταγραφή του ρεύματος συναρτήσει του δυναμικού της φωτοανόδου, στη περιοχή -1.5 έως 1 V (ρυθμός σάρωσης 5 mV s-1) και πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, υπό διοχέτευση Αr, τόσο στο σκοτάδι όσο και υπό ακτινοβόληση. Τέλος, στην ίδια περιοχή δυναμικών, διεξήχθησαν μετρήσεις εμπέδησης για επιλεγμένες συχνότητες (3000, 1000, 500, 200, 100 και 6 Ηz), στο σκοτάδι και υπό ροή Ar, με στόχο τον προσδιορισμό της εξάρτησης της χωρητικότητας C από το δυναμικό της φωτοανόδου Vanod και την κατασκευή διαγραμμάτων Mott- Schottky (1/C2 vs. Vanod).