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
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μπογοσιάν, Σογομών | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μανίκας, Αναστάσιος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νιάκολας, Δημήτριος | |
| dc.contributor.author | Δούβαλης, Παύλος | |
| dc.contributor.other | Douvalis, Pavlos | |
| dc.date.accessioned | 2026-10-14T07:09:01Z | |
| dc.date.available | 2026-10-14T07:09:01Z | |
| dc.date.issued | 2026-09-12 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.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. | |
| dc.description.translatedabstract | The general utilization and commercial development of Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) devices continues to be limited by the high manufacturing cost, as well as by the limited durability of the electrodes under operating conditions. The degradation of electrode performance is mainly at-tributed to changes in the microstructure, which occur during thermal and/or electrochemical sin-tering, as well as to their repeated exposure to oxidation–reduction cycles. Therefore, the develop-ment and optimization of electrodes with enhanced mechanical, thermal, and electrochemical sta-bility is considered essential in order to ensure the reliable operation of the devices and their dura-bility under demanding operating conditions. The objective of the present Diploma Thesis was the development of Ni-based electrocatalysts, nanodispersed on mixed-oxide backbones such as GDC (Gadolinium-doped Ceria) and ScYSZ (Scandia-Yttria-stabilized Zirconia), the study of their textural properties, as well as the investigation of their electrochemical characteristics as electrodes in SOEC devices for the H₂O electrolysis process for H₂ production. Within this framework, Ni-based materials were prepared using commercially available mixed-oxide backbones, such as Ce₀.₉Gd₀.₁O₁.₉₅ (GDC) and Y₂O₃/10Sc₂O₃/ZrO₂ (ScYSZ), through wet chemical synthesis using citrate salts (Citrate method). These materials differed in terms of their NiO content (65 or 35 wt.%) and their GDC or ScYSZ content (35 or 65 wt.%). Specifically, the following electrocatalysts were prepared: NiO65/GDC, NiO35/GDC, NiO65/ScYSZ, and NiO35/ScYSZ. In addi-tion, a modified NiO65/GDC electrocatalyst containing 0.5 wt.% Fe and 0.5 wt.% Au was developed. The textural properties of the materials, such as the specific surface area, pore volume, and aver-age pore diameter, both in their oxidized and reduced forms, were determined through nitrogen gas adsorption–desorption at −196 °C (liquid nitrogen temperature), according to the Brunauer, Emmett and Teller (BET) and Barrett, Joyner and Halenda (BJH) methods. The electrochemical behavior was evaluated through i–V polarization curves and subsequently by means of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), at different applied current densities. The measurements were performed in electrolyte-supported cells (ESCs), in which the synthesized pow-ders were used as fuel electrodes. The electrochemical activity of the cells was investigated under steam electrolysis conditions at 900 °C, using two different gas mixtures: (i) 36 vol.% H₂O – 36 vol.% H₂ – 28 vol.% He (mild mixture) and (ii) 56 vol.% H₂O – 14 vol.% H₂ – 30 vol.% He (harsh mixture). Initially, the effect of the mixed-oxide (electronic and/or ionic) phase (backbone), GDC or ScYSZ, with a NiO content equal to 65 wt.%, was examined. Subsequently, the effect of modification of NiO65/GDC with 0.5 wt.% Fe and 0.5 wt.% Au was investigated. Next, the effect of the NiO content (65 or 35 wt.%) in the NiO/GDC fuel electrode was examined. Finally, some representative Scanning Electron Microscopy (SEM) images were obtained for the used fuel electrodes after completion of the electrochemical measurements. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/33098 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/ | |
| dc.subject | Ηλεκτρόλυση νερού | |
| dc.subject | Ηλεκτρόλυση | |
| dc.subject | Υδρογόνο | |
| dc.subject | Ηλεκτροκατάλυση | |
| dc.subject.alternative | Water electrolysis | |
| dc.subject.alternative | Electrolysis | |
| dc.subject.alternative | Hydrogen | |
| dc.subject.alternative | Electrocatlysis | |
| dc.title | 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 | |
| dc.title.alternative | Effect of GDC and ScYSZ oxides on the physicochemical and electrochemical properties of Ni-based electrodes, modified with transition-metal elements, for solid oxide fuel and Η2Ο electrolysis cells applications |