Προστασία από τη διάβρωση μεταλλικών ηλεκτροδίων διπολικών κελιών καυσίμου

• Κύριος συγγραφέας: Μπιλάλη, Χριστίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Bilali, Christina
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Γραφένιο; Κελιά καυσίμου; Graphene; Fuel cells

Η τεχνολογία των κελιών καυσίμου γνωρίζει ιδιαίτερη άνθιση στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια. Μια κυψέλη καυσίμου χρησιμοποιεί τη χημική ενέργεια του υδρογόνου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας φιλικής προς το περιβάλλον, καθώς τα μόνα προϊόντα είναι η ηλεκτρική ενέργεια, το νερό και θερμότητα. Οι κυψέλες καυσίμου παρά το μικρό μέγεθός τους, μπορούν να παρέχουν ισχύ όση ένας σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC), οι οποίες είναι εμπορικά διαθέσιμες και παρέχουν υψηλές αποδόσεις, χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη πυκνό φωσφορικό οξύ εξαιτίας της θερμοκρασίας λειτουργίας του κελιού και μεταλλικά ηλεκτρόδια. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που παρουσιάζονται στις διατάξεις αυτές, είναι η διάβρωση των μεταλλικών ηλεκτροδίων από το διαβρωτικό περιβάλλον που δημιουργείται από το πυκνό φωσφορικό οξύ. Από την άλλη, το γραφένιο είναι ένας δισδιάστατος κρύσταλλος, ο οποίος αποτελείται από ομοιοπολικά συνδεδεμένα άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε εξαγωνικό πλέγμα. Εξαιτίας της δομής αυτής το γραφένιο διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες, μερικές από αυτές είναι η δημιουργία φραγμού στη διαπερατότητα των μορίων, η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν το γραφένιο υποψήφιο υλικό για την προστασία από τη διάβρωση των μεταλλικών ηλεκτροδίων στις διατάξεις των κελιών καυσίμου. Επίσης, έχει βρεθεί πως νανοσωματίδια μετάλλων, όπως χαλκού, νικελίου και κασσιτέρου, σε συνδυασμό με το οξείδιο του γραφενίου έχουν αντιδιαβρωτικές ιδιότητες ως προστατευτικά υμένια. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η επίστρωση γραφενικών υλικών, όπως το οξείδιο του γραφενίου (GO), το ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου (rGO) και οξείδιο του γραφενίου με νανοσωματίδια μετάλλων (χαλκού και νικελίου) για να διερευνηθεί εάν οι επιστρώσεις αυτές παρέχουν προστασία σε ηλεκτρόδια αλουμινίου για κυψέλες καυσίμου που λειτουργούν παρουσία διαβρωτικού περιβάλλοντος. Η μελέτη για την παρούσα εργασία έλαβε χώρα στο εργαστήριο Νανοτεχνολογίας και Προηγμένων Υλικών στο Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (FORTH/ICE-HT) στην Πάτρα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε παραγωγή οξειδίου του γραφενίου με τη μέθοδο Hummers-Offeman και έγινε ο χαρακτηρισμός του οξειδίου του γραφενίου. Στη συνέχεια, βρέθηκε ο βέλτιστος τρόπος καθαρισμού των υποστρωμάτων αλουμινίου από ακαθαρσίες και από το οξείδιο του αλουμινίου. Έπειτα, βρέθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την εναπόθεση διαλύματος οξειδίου του γραφενίου με τη μέθοδο της ηλεκτροφορητικής εναπόθεσης αλλά και οι συνθήκες για την ηλεκτροχημική αναγωγή του στο υπόστρωμα αλουμινίου. Δημιουργήθηκαν δείγματα αλουμινίου χωρίς επίστρωση, με επίστρωση GO αλλά και με επιστρώσεις rGO, έως και τρείς στρώσεις υμενίου rGO. Για τα δείγματα αυτά επιτεύχθηκε μέτρηση πόλωσης, με θειικό οξύ και φωσφορικό οξύ, ώστε να υπολογιστεί ο ρυθμός διάβρωσης και το ποσοστό προστασίας που παρέχουν οι επιστρώσεις συγκριτικά με υπόστρωμα αλουμινίου χωρίς επίστρωση. Ακόμα, παρασκευάστηκαν διαλύματα GO με νανοσωματίδια χαλκού και νικελίου με διαφορετικές συγκεντρώσεις σε GO. Τα διαλύματα αυτά επιστρώθηκαν με ηλεκτροφορητική εναπόθεση και διαφορετικές πυκνότητες έντασης ηλεκτρικού ρεύματος σε υποστρώματα αλουμινίου. Στη συνέχεια, έγινε μέτρηση πόλωσης με φωσφορικό οξύ ως ηλεκτρολύτη, για να υπολογιστεί ο ρυθμός διάβρωσης και το ποσοστό προστασίας που παρέχουν οι επιστρώσεις συγκριτικά με υπόστρωμα αλουμινίου με επίστρωση νανοσωματιδίων χαλκού και νικελίου χωρίς GO, αντίστοιχα.