Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Μελέτη υλικών με φωτοκαταλυτικές ιδιότητες και ενεργειακές εφαρμογές
Other Titles: Study of materials with photocatalytic properties and energy applications
Authors: Τάντης, Ιωσήφ
Keywords: Φωτοκατάλυση
Φωτοστοιχεία καυσίμου
Παραγωγή υδρογόνου
Διάσπαση ρύπων
Keywords (translated): Photocatalysis
Photo fuel cells
Hydrogen production
Waste degradation
Abstract: Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η φωτο(ηλεκτρο)καταλυτική διάσπαση οργανικών και ανόργανων ουσιών, που είτε συνιστούν ρύπους είτε είναι προϊόντα της βιομάζας, με ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και υδρογόνου, με φωτοαποικοδόμηση οργανικών αποβλήτων σε ένα φωτοηλεκτροχημικό κελί αποτελεί μία ελκυστική διεργασία με διπλό περιβαλλοντικό όφελος δηλαδή, την αποικοδόμηση αποβλήτων με ταυτόχρονη παραγωγή χρήσιμων μορφών ενέργειας. Τα κύρια μέρη ενός φωτοηλεκτροχημικού κελιού είναι: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου (φωτοάνοδος), το οποίο φέρει τον φωτοκαταλύτη που στην παρούσα εργασία ήταν είτε το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), είτε ο αιματίτης (Fe2O3), (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου, το οποίο φέρει τον ηλεκτροκαταλύτη, δηλαδή ένα υλικό το οποίο διευκολύνει την μεταφορά ηλεκτρονίων από την κάθοδο στην υγρή φάση και (γ) ο ηλεκτρολύτης, που προστίθεται προκειμένου να αυξηθεί η αγωγιμότητα και να ρυθμιστεί το pH του διαλύματος. Όταν ο φωτοκαταλύτης διεγείρεται, η φωτοάνοδος παράγει ζεύγη ηλεκτρόνιων-οπών, όπου μέσω των οπών πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις οξείδωσης των προς αποικοδόμηση ουσιών στο ηλεκτρόδιο της ανόδου. Τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια οδηγούνται προς την κάθοδο μέσω του εξωτερικού κυκλώματος όπου εκεί πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις αναγωγής, όπως για παράδειγμα, η αναγωγή των ιόντων υδρογόνου σε μοριακό υδρογόνο. Η νανοκρυσταλλική τιτάνια (TiO2), είναι ένας από τους καταλληλότερους φωτοκαταλύτες που χρησιμοποιούνται για την ετερογενή φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση ρύπων. Ωστόσο, το TiO2 απορροφά μόνο την υπεριώδη ακτινοβολία και έτσι εκμεταλλεύεται μόνο ένα μικρό ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας και επιπλέον μεγάλο ποσοστό των φωτοπαραγόμενων ζευγών ηλεκτρονίων οπών ανασυνδιάζονται μειώνοντας έτσι την τελική απόδοση του κελιού. Στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια βελτίωσης των παραπάνω αδυναμιών του TiO2, τόσο με την φωτοευαισθητοποίηση του με ημιαγωγούς μικρότερου ενεργειακού χάσματος που απορροφούν στο ορατό τμήμα της ακτινοβολίας (π.χ. CdS), όσο και με την εφαρμογή εξωτερικής πόλωσης κατά τη διάρκεια της φωτοαποικοδόμησης (φωτοηλεκτροκατάλυση) που αποτρέπει τα ζεύγη φορέων φορτίου από την επανασύνδεση. Επιπλέον, η παρουσία της ρυπογόνου ουσίας, που δρα ως θυσιαζόμενη ένωση, συμβάλει στη μείωση της επανασύνδεσης ηλεκτρονίων-οπών καταναλώνοντας μέρος των φωτοπαραγόμενων οπών και επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να οδηγηθούν προς την κάθοδο.
Abstract (translated): In this thesis, the photo(electro)catalytic decomposition of organic and inorganic substances, which are either pollutants or byproducts of biomass was studied, with simultaneous production of hydrogen and electricity. The production of electricity and hydrogen, by the photodegradation of organic wastes in a photoelectrochemical cell is an attractive field of study with double environmental benefit, which is the waste degradation while simultaneously producing renewable energy. The main parts of a photoelectrochemical cell are: (a) an anode electrode (photoanode) carrying the photocatalyst and in the present work was either titanium dioxide (TiO2) or hematite (Fe2O3), (b) a cathode electrode, carrying the electrocatalyst, i.e. a material which facilitates the electron transfer from the electrode to the liquid phase and (c) the electrolyte, added to increase the conductivity and to adjust the solution’s pH. When the photocatalyst is excited, the photoanode produces electron-hole pairs, and through the holes the oxidation reactions for the degradation of substances are carried out at the anode. The photogenerated electrons are carried to the cathode through the external circuit where the reduction reactions take place, for example, the reduction of hydrogen ions to molecular hydrogen. Nanocrystalline titania (TiO2), is one of the most suitable photocatalysts used for heterogeneous photocatalytic degradation of pollutants. However, TiO2 absorbs only the UV light and thereby exploits only a small percentage of solar radiation, and further, a percentage of the photogenerated electron-hole pairs suffers recombination, reducing the ultimate yield of the cell. This study attempts to improve the above disadvantages of TiO2, either by the photosensitization of the semiconductor (by CdS) which lowers the energy gap or the application of external bias during photodegradation and prevents the recombination of charge carriers. Moreover, the presence of the pollutant, which acts as a sacrificial agent, also reduces the recombination by consuming a part of the photogenerated holes and allowing electrons to be carried towards the cathode.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Tantis(chem_eng).pdf8.67 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.