Επίδραση οξειδίων GDC και ScYSZ στις φυσικοχημικές και ηλεκτρο-χημικές ιδιότητες ηλεκτροδίων νικελίου, τροποποιημένων με μέταλλα μετάπτωσης, για εφαρμογή σε κεραμικές κυψελίδες καυσίμου και ηλεκτρόλυσης Η2Ο
Loading...
Date
2026-09-12
Authors
Δούβαλης, Παύλος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η ευρύτερη αξιοποίηση και εμπορική ανάπτυξη των διατάξεων Solid Oxide Electrolysis Cells, SOECs εξακολουθεί να περιορίζεται από το υψηλό κόστος κατασκευής, καθώς και από την περιορι-σμένη ανθεκτικότητα των ηλεκτροδίων υπό συνθήκες λειτουργίας. Η υποβάθμιση της απόδοσης των ηλεκτροδίων αποδίδεται κυρίως σε μεταβολές της μικροδομής, οι οποίες προκύπτουν κατά τη θερ-μική και/ή ηλεκτροχημική συσσωμάτωση, καθώς και στην επαναλαμβανόμενη έκθεσή τους σε κύ-κλους οξείδωσης–αναγωγής. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη και η βελτιστοποίηση ηλεκτροδίων με αυξη-μένη μηχανική, θερμική και ηλεκτροχημική σταθερότητα κρίνεται απαραίτητη, ώστε να διασφαλίζε-ται η αξιόπιστη λειτουργία των διατάξεων και η αντοχή τους στις απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας.
Στόχος της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας ήταν η ανάπτυξη ηλεκτροκαταλυτών με βάση το Ni, νανοδιεσπαρμένων σε φορείς μικτών οξειδίων όπως τo GDC (Gadolinium-doped Ceria) και το ScYSZ (Scandia-Yttria-stabilized Zirconia), η μελέτη της υφής τους, καθώς και η μελέτη των ηλεκτρο-χημικών τους χαρακτηριστικών ως ηλεκτρόδια σε διατάξεις SOΕCs για τη διεργασία της ηλεκτρόλυ-σης του Η2Ο για την παραγωγή Η2. Στα πλαίσια αυτά παρασκευάστηκαν υλικά με βάση το Ni, με χρήση εμπορικά διαθέσιμων μικτών οξειδικών φορέων (backbones), όπως το Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) και το Y₂O₃/10Sc₂O₃/ZrO₂ (ScYSZ), μέσω της υγρής χημικής σύνθεσης με χρήση κιτρικών αλάτων (Citrate method). Τα υλικά αυτά διαφοροποιούνταν ως προς την περιεκτικότητα σε NiO (65 ή 35 κ.β.%) και ως προς την περιεκτικότητα σε GDC ή ScYSZ (35 ή 65 κ.β.%). Συγκεκριμένα, παρασκευά-στηκαν οι εξής ηλεκτροκαταλύτες: NiO65/GDC, NiO35/GDC, NiO65/ScYSZ και NiO35/ScYSZ. Επιπλέον, αναπτύχθηκε και ένας τροποποιημένος ηλεκτροκαταλύτης NiO65/GDC με 0.5 wt.% Fe και 0.5 wt.% Au.
Οι ιδιότητες της υφής των υλικών όπως η ειδική επιφάνεια, ο όγκος των πόρων και η μέση διά-μετρος των πόρων, τόσο στην οξειδωμένη όσο και στην ανηγμένη τους μορφή, προσδιορίστηκαν μέσω της προσρόφησης-εκρόφησης αερίου αζώτου στους −196 °C (θερμοκρασία υγρού αζώτου), σύμφωνα με τις μεθόδους Brunauer, Emmett και Teller (BET) και Barrett, Joyner και Halenda (BJH).
Η ηλεκτροχημική συμπεριφορά αξιολογήθηκε μέσω καμπυλών πόλωσης i–V και, ακολούθως, με τη χρήση Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS), σε διαφορετικές επιβαλλόμενες πυκνότητες ρεύματος. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μοναδιαίες κυψελίδες υποστηριγμένες σε ηλεκτρολύτη (electrolyte-supported cells, ESCs), στις ο-ποίες οι συντεθειμένες σκόνες χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια καυσίμου. Η ηλεκτροχημική ενερ-γότητα των κυψελίδων διερευνήθηκε σε συνθήκες ηλεκτρόλυσης ατμού στους 900 οC, χρησιμοποιώ-ντας δύο διαφορετικά μίγματα: (i) 36 vol.% H₂O – 36 vol.% H₂ – 28 vol.% He (αραιό μίγμα) και (ii) 56 vol.% H₂O – 14 vol.% H₂ – 30 vol.% He (πυκνό μίγμα). Αρχικά, εξετάστηκε η επίδραση της μικτής οξειδικής (ηλεκτρονιακή ή/και ιοντικής) φάσης (backbone) GDC ή ScYSZ με την περιεκτικότητα σε NiO να είναι ίση με 65 % κ.β.. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της τροποποίησης του NiO65/GDC με 0.5 κ.β.% Fe και 0.5 κ.β.% Au. Ακολούθως, διερευνήθηκε η επίδραση της περιεκτικό-τητας (65 ή 35 % κ.β.) του NiO στο ηλεκτρόδιο καυσίμου NiO/GDC. Τέλος, ελήφθησαν ενδεικτικά κάποιες εικόνες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) για χρησιμοποιημένα ηλεκτρόδια καυ-σίμου, μετά το πέρας των ηλεκτροχημικών μετρήσεων.
Description
Keywords
Ηλεκτρόλυση νερού, Ηλεκτρόλυση, Υδρογόνο, Ηλεκτροκατάλυση