Μελέτη της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα σε καταλυτικά υμένια Ru, Co και Ru-Co

• Κύριος συγγραφέας: Σκλαβουνάκη, Κωνσταντίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Sklavounaki, Konstantina
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Ηλεκτροχημεία; Ηλεκτροχημική ενίσχυση της κατάλυσης; Υδρογόνωση του διοξειδίου του άνθρακα; Ρουθήνιο; Κοβάλτιο; YSZ; Electrochemical promotion of catalysis; EPOC; NEMCA; Carbon dioxide hydrogenation; Ruthenium; Cobalt

Από την ανακάλυψή του στις αρχές της δεκαετίας του 1980, περίπου τέσσερις δεκαετίες πριν, το φαινόμενο της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης (Η.Ε.) της Κατάλυσης (EPOC ή αλλιώς Μη-Φαρανταϊκή Τροποποίηση της Καταλυτικής Ενεργότητας, φαινόμενο NEMCA) έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε πολυάριθμες καταλυτικές αντιδράσεις, με στόχο τον έλεγχο και την αντιστρεπτή και εν μέρει προβλέψιμη τροποποίηση της καταλυτικής ενεργότητας και εκλεκτικότητας της αντίδρασης, η οποία πραγματοποιείται στην αέρια φάση. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, κατά την εφαρμογή μικρών ρευμάτων ή δυναμικών σε ένα μεταλλικό καταλύτη, δύναται η τροποποίηση του έργου εξόδου του, χάρη στην ηλεκτροχημική μετανάστευση των προωθητικών ιοντικών ειδών ενός στερεού ηλεκτρολύτη, από το εσωτερικό του προς τη διεπιφάνεια μετάλλου – αερίου, όπου δημιουργείται μια ‘’ισοδύναμη’’ διπλοστοιβάδα. Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε εκτενώς η αντίδραση της υδρογόνωσης του CO2, μια αντίδραση μεγάλου τεχνολογικού και περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος. Η σημασία της και η ανάγκη για περαιτέρω διερεύνησή της οφείλεται στη συμβολή της στη μείωση των εκπομπών του CO2, μέσω της αξιοποίησης του ήδη υπάρχοντος στην ατμόσφαιρα (αντιμετώπιση φαινομένου του θερμοκηπίου), καθώς και στη δυνατότητα παραγωγής χρήσιμων προϊόντων (καύσιμα, χημικά) που παρέχει. Αξιοποιώντας, λοιπόν, την Ηλεκτροχημική Ενίσχυση της Κατάλυσης (Η.Ε.), είναι δυνατή η ενίσχυση της αντίδρασης, καθώς και ο έλεγχος της εκλεκτικότητας ως προς το επιθυμητό προϊόν. Το Πρώτο Κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στην Ηλεκτροχημεία και την Ηλεκτροκατάλυση, ενώ γίνεται εκτενής αναφορά στους στερεούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στις μελέτες της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης, στις ιδιότητες και τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Μεγαλύτερη βαρύτητα δίνεται στους αγωγούς ιόντων οξυγόνου και ιδιαίτερα, στην σταθεροποιημένη με οξείδιο του υττρίου ζιρκονία (YSZ). Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης και τα κύρια χαρακτηριστικά του, ενώ γίνεται μια ιστορική ανασκόπηση των εργασιών που υπάρχουν στη βιβλιογραφία, σχετικά με το συγκεκριμένο φαινόμενο. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πειραματική επιβεβαίωση και η ερμηνεία αυτού, ενώ παρουσιάζονται πειραματικές τεχνικές και θεωρητικές μελέτες, προκειμένου αυτό να κατανοηθεί σε ατομικό επίπεδό. Επιπλέον, εισάγονται οι αρχές και οι κανόνες της χημικής και ηλεκτροχημικής ενίσχυσης που θεμελιώθηκαν με τη βοήθειά των τεχνικών και των μελετών αυτών. Στο Τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η μελέτη της υδρογόνωσης του CO2. Αρχικά, αναδεικνύεται η επιτακτική ανάγκη μετριασμού των επιπτώσεων του φαινομένου του θερμοκηπίου και άρα, ελάττωσης των εκπομπών του CO2, ενώ ως λύση προτείνεται η υδρογόνωση του. Για τον λόγο αυτό, παρουσιάζονται οι υπάρχουσες, στη βιβλιογραφία, μελέτες που αφορούν την καταλυτική υδρογόνωση του CO2, τα προϊόντα της και τους πιθανούς μηχανισμούς παραγωγής τους, καθώς και την ηλεκτροχημική ενίσχυση της αντίδρασης. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο περιγράφεται η παρασκευή και προετοιμασία των καταλυτών και η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων αυτής της μελέτης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται 3 διαφορετικά καταλυτικά δείγματα, Ru, Co και Ru-Co, στον ίδιο στερεό ηλεκτρολύτη, αγωγό ιόντων οξυγόνου, YSZ. Όλα τα δείγματα έδωσαν ως κύρια προϊόντα CO και CH4, με την παραγωγή του τελευταίου να παρουσιάζεται αμελητέα για τα δείγματα Co/YSZ και Ru-Co/YSZ. Πραγματοποιήθηκε καταλυτική και ηλεκτροχημική μελέτη των δειγμάτων, σε θερμοκρασιακό εύρος 200-380οC, σε ατμοσφαιρική πίεση. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται ο σκοπός της παρούσας μελέτης, ενώ στο Έκτο Κεφάλαιο παρατίθενται υπό τη μορφή διαγραμμάτων τα αποτελέσματα της καταλυτικής υδρογόνωσης του CO2 και της ηλεκτροχημικής της ενίσχυσης, χρησιμοποιώντας τα ανωτέρω καταλυτικά υμένια, καθώς και η ερμηνεία αυτών. Τέλος, στο Έβδομο Κεφάλαιο γίνεται συζήτηση των συμπερασμάτων της παρούσας διπλωματικής εργασίας.