Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου
Λόγω της σημαντικής αύξησης της ανάγκης για ενέργεια και την πίεση για ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συστήματα όπως οι υπερπυκνωτές σαν ηλεκτροχημικά μέσα αποθήκευσης ενέργειας έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον τόσο του επιστημονικού τομέα όσο και του τομέα της βιομηχανίας. Το γραφένιο είναι από...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/16595 |
| id |
nemertes-10889-16595 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Υπερπυκνωτές Γραφένιο Ηλεκτρόδια Χωρητικότητα υπερπυκνωτή Supercapacitors Graphene Electrodes |
| spellingShingle |
Υπερπυκνωτές Γραφένιο Ηλεκτρόδια Χωρητικότητα υπερπυκνωτή Supercapacitors Graphene Electrodes Τσιρογιάννης, Χρήστος Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| description |
Λόγω της σημαντικής αύξησης της ανάγκης για ενέργεια και την πίεση για ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συστήματα όπως οι υπερπυκνωτές σαν ηλεκτροχημικά μέσα αποθήκευσης ενέργειας έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον τόσο του επιστημονικού τομέα όσο και του τομέα της βιομηχανίας. Το γραφένιο είναι από τα δημοφιλέστερα υλικά στην εποχή μας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, κάτι που το κάνει να βρίσκει εφαρμογές σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας σχετικά εύκολα, προσδίδοντας βελτιωμένες ιδιότητες. Οι ιδιότητες των μέσων αποθήκευσης ενέργειας που προκύπτουν είναι αρκετά ενθαρρυντικές ως προς τον κύκλο ζωής την ταχύτητα φόρτισης και την ενεργειακή πυκνότητα, με το γραφένιο να παίζει σημαντικό ρόλο για την επίτευξή τους. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία που έχει ως στόχο την σύγκριση και την αύξηση της ειδικής χωρητικότητας χρησιμοποιώντας γραφένιο με διαφορετικές ιδιότητες από διαφορετικούς παρασκευαστές, το μέσο αποθήκευσης ενέργειας είναι οι υπερπυκνωτές. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας παρασκευάστηκαν ηλεκτρόδια, σε υπόστρωμα χαλκού, τα οποία αποτελούνται από Graphene nanoplatelets (GNPs) μαζί με το πολυμερές polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) στο ρόλο του συνδετικού υλικού (Binder), με τα ποσοστά να είναι 90% GNPs & 10% PVDF. Για την Παρασκευή των ηλεκτροδίων χρησιμοποιήθηκε διαλύτης N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP).
Τα διάφορα GNPs ήταν από διαφορετικές εταιρείες με διαφορετικά χαρακτηριστικά το ένα με το άλλο. Μελετήθηκε η επίδραση στην ειδική χωρητικότητα διαφόρων GNPs στα ηλεκτρόδια ενός υπερπυκνωτή. Οι μέθοδοι χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν scanning electron microscopy (SEM) με την βοήθεια της οποίας χαρακτηρίστηκε η επιφάνεια. Με την χρήση της μεθόδου Brunauer–Emmett–Teller (BET) μετρήθηκε η ειδική επιφάνεια και συγκρίθηκε με την θεωρητική ειδική επιφάνεια του παραγωγού, μια πολύ σημαντική ιδιότητα το μέγεθος της χωρητικότητας του ηλεκτροδίου. Όπως και με την χρήση της φασματοσκοπίας RAMAN αξιολογήθηκε η ποιότητα των GNPs βρίσκοντας πως είναι μερικών στρωμάτων. Τέλος η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για να τον χαρακτηρισμό της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς των ηλεκτροδίων ήταν η κυκλική βολταμετρία κάνοντας δύο ειδών πειράματα, στο πρώτο χρησιμοποιήθηκε μία διάταξη τριών ηλεκτροδίων και χρήση υδατικού αλκαλικού ηλεκτρολύτη ΚΟΗ, ενώ στο δεύτερο μία διάταξή δύο ηλεκτροδίων και χρήση υδατικού οργανικού ηλεκτρολύτη TEABF4 (η οποία είναι και πιο κοντά σε διατάξεις του εμπορίου). Τέλος η μέγιστη τιμή που της ειδικής χωρητικότητας που βρέθηκε ήταν 128 Fg-1 για την διάταξη των τριών ηλεκτροδίων ενώ για την διάταξη δύο ηλεκτροδίων έφτασε μέχρι τα 100 Fg-1. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι ενθαρρυντικά ως προς την ανάπτυξη παρόμοιων υλικών που έχουν υψηλή απόδοση στο πεδίο της αποθήκευσης ενέργειας και μπορούν να εφαρμοστούν σε φορητές συσκευές που βασίζονται στα νανοσύνθετα υλικά. |
| author2 |
Tsirogiannis, Christos |
| author_facet |
Tsirogiannis, Christos Τσιρογιάννης, Χρήστος |
| author |
Τσιρογιάννης, Χρήστος |
| author_sort |
Τσιρογιάννης, Χρήστος |
| title |
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| title_short |
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| title_full |
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| title_fullStr |
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| title_full_unstemmed |
Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| title_sort |
ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου |
| publishDate |
2022 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/16595 |
| work_keys_str_mv |
AT tsirogiannēschrēstos anaptyxēkaicharaktērismosnanoülikōngiaenergeiakesepharmogesbasizomenastananosōmatidiagrapheniou AT tsirogiannēschrēstos developmentandcharacterizationofnanomaterialsforenergyapplicationsbasedongraphenenanoparticles |
| _version_ |
1771297158371213312 |
| spelling |
nemertes-10889-165952022-09-05T05:37:35Z Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοϋλικών για ενεργειακές εφαρμογές βασιζόμενα στα νανοσωματίδια γραφενίου Development and characterization of nanomaterials for energy applications based on graphene nanoparticles Τσιρογιάννης, Χρήστος Tsirogiannis, Christos Υπερπυκνωτές Γραφένιο Ηλεκτρόδια Χωρητικότητα υπερπυκνωτή Supercapacitors Graphene Electrodes Λόγω της σημαντικής αύξησης της ανάγκης για ενέργεια και την πίεση για ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συστήματα όπως οι υπερπυκνωτές σαν ηλεκτροχημικά μέσα αποθήκευσης ενέργειας έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον τόσο του επιστημονικού τομέα όσο και του τομέα της βιομηχανίας. Το γραφένιο είναι από τα δημοφιλέστερα υλικά στην εποχή μας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, κάτι που το κάνει να βρίσκει εφαρμογές σε διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας σχετικά εύκολα, προσδίδοντας βελτιωμένες ιδιότητες. Οι ιδιότητες των μέσων αποθήκευσης ενέργειας που προκύπτουν είναι αρκετά ενθαρρυντικές ως προς τον κύκλο ζωής την ταχύτητα φόρτισης και την ενεργειακή πυκνότητα, με το γραφένιο να παίζει σημαντικό ρόλο για την επίτευξή τους. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία που έχει ως στόχο την σύγκριση και την αύξηση της ειδικής χωρητικότητας χρησιμοποιώντας γραφένιο με διαφορετικές ιδιότητες από διαφορετικούς παρασκευαστές, το μέσο αποθήκευσης ενέργειας είναι οι υπερπυκνωτές. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας παρασκευάστηκαν ηλεκτρόδια, σε υπόστρωμα χαλκού, τα οποία αποτελούνται από Graphene nanoplatelets (GNPs) μαζί με το πολυμερές polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) στο ρόλο του συνδετικού υλικού (Binder), με τα ποσοστά να είναι 90% GNPs & 10% PVDF. Για την Παρασκευή των ηλεκτροδίων χρησιμοποιήθηκε διαλύτης N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP). Τα διάφορα GNPs ήταν από διαφορετικές εταιρείες με διαφορετικά χαρακτηριστικά το ένα με το άλλο. Μελετήθηκε η επίδραση στην ειδική χωρητικότητα διαφόρων GNPs στα ηλεκτρόδια ενός υπερπυκνωτή. Οι μέθοδοι χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν scanning electron microscopy (SEM) με την βοήθεια της οποίας χαρακτηρίστηκε η επιφάνεια. Με την χρήση της μεθόδου Brunauer–Emmett–Teller (BET) μετρήθηκε η ειδική επιφάνεια και συγκρίθηκε με την θεωρητική ειδική επιφάνεια του παραγωγού, μια πολύ σημαντική ιδιότητα το μέγεθος της χωρητικότητας του ηλεκτροδίου. Όπως και με την χρήση της φασματοσκοπίας RAMAN αξιολογήθηκε η ποιότητα των GNPs βρίσκοντας πως είναι μερικών στρωμάτων. Τέλος η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για να τον χαρακτηρισμό της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς των ηλεκτροδίων ήταν η κυκλική βολταμετρία κάνοντας δύο ειδών πειράματα, στο πρώτο χρησιμοποιήθηκε μία διάταξη τριών ηλεκτροδίων και χρήση υδατικού αλκαλικού ηλεκτρολύτη ΚΟΗ, ενώ στο δεύτερο μία διάταξή δύο ηλεκτροδίων και χρήση υδατικού οργανικού ηλεκτρολύτη TEABF4 (η οποία είναι και πιο κοντά σε διατάξεις του εμπορίου). Τέλος η μέγιστη τιμή που της ειδικής χωρητικότητας που βρέθηκε ήταν 128 Fg-1 για την διάταξη των τριών ηλεκτροδίων ενώ για την διάταξη δύο ηλεκτροδίων έφτασε μέχρι τα 100 Fg-1. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης είναι ενθαρρυντικά ως προς την ανάπτυξη παρόμοιων υλικών που έχουν υψηλή απόδοση στο πεδίο της αποθήκευσης ενέργειας και μπορούν να εφαρμοστούν σε φορητές συσκευές που βασίζονται στα νανοσύνθετα υλικά. Due to significant increase in energy demand and the pressure to develop renewable energy sources, electrochemical energy storage systems such as supercapacitors and batteries have attracted significant attention. Nowadays graphene is a well-known material due to its exceptional properties, finds applications in many storage devices. Graphene manages to enhance the properties of this devices, especially when it comes to cycle life, charge speed and energy density. In this diploma thesis the goal is to compare and try to increase the capacitance on supercapacitors using graphene from different graphene manufactures which have different properties mainly in terms of the surface area. In the framework of this thesis, electrodes were prepared and placed on a copper substrate, the electrodes consist of graphene nanoplatelets (GNPs) together with the polymer polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) in the role of binder, both were dissolved in solvent N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) with a percentage of 90% GNPs and 10% PVDF. The effect on the specific capacitance, using various GNPs from different manufactures on the electrodes, was studied. The characterization methods that used were scanning electron microscopy (SEM) for the surface characterization, the next method was Brunauer-Emmett-Teller (BET), a method to calculate the surface area which was compared to the theoretical values that was given by the producer company. The surface area has a significant role to the capacitance of the electrode which makes surface area a very important property. To evaluate the quality of the GNPs we used RAMAN spectroscopy so we could find the number of the layers we have. The results shown that the GNPs were just a few layers of graphene which was something we were expecting. The last method we used was cyclic voltammetry with the help of which we manage to characterize the electrochemical behavior of our electrodes. Two kinds of experiments were performed, the first was a layout of three electrodes (working, reference & current electrode) in an alkaline electrolyte (KOH) and the second was a layout of two electrodes with the use of an aqueous organic electrolyte (TEABF4). The results we got were 128 F/g for the first layout and 100 F/g for the second, these values were the maximum values for the specific capacity of the electrodes. The results of this diploma thesis are encouraging for the furthermore research and development to similar materials with high efficiency at the energy storage field and to materials which can find applications to portable nanocomposites devices. 2022-08-04T10:29:20Z 2022-08-04T10:29:20Z 2022-07-20 http://hdl.handle.net/10889/16595 gr application/pdf |
