Παραγωγή Υδρογόνου με τη χρήση νανοτεχνολογίας

Abstract

The future energy requirements are impossible to meet through existing energyproduction methods. New innovative and environmentally friendly forms of energy needto be invented and implemented immediately. An environmentally friendly method ofenergy production is the energy that can be obtained from hydrogen.The present thesis deals diligently with the increase of hydrogen productionthrough the fabrication of nanostructured electrodes and their use in alkalineelectrolysis. The primary study of this thesis is the Hydrogen Evolution Reaction (HER)and how the fabricated nanostructured surfaces improve the reaction efficiency.This thesis has the following research objectives:i. The development of a new method of fabricating electrodes with resistance inalkaline solutions by a relatively straightforward process,ii. The creation of nanostructures using short-term laser pulses on the substrateof Ni and Fe electrodes to increase their electrocatalytically active surface,iii. The additional increase of the electrocatalytic surface of the lasernanostructured surfaces with electrodeposition of Ni particles,iv. The enhancement of hydrogen production of the nanostructured electrodes,v. The creation of a setup for measuring the produced hydrogen, which may besubject to changes depending on the size of the electrodes.At the same time, with the application of short-term laser pulses for thereconstruction of surfaces and the creation of electrodes for their use in HER, there is apossibility of creating complex architectural forms on the substrate with high adsorptionfor subsequent particle deposition.The results obtained in the experimental part show that the laser-nanostructurednickel electrodes increased the hydrogen production up to 4.5 times compared to a nonnanostructurednickel electrode. Moreover, the fabricated laser-nanostructured ironelectrode increased hydrogen production by up to 50% compared to an untreated ironelectrode. The nanostructured nickel and iron electrodes may also be used as cathodeand anode for a newly-improved iron-nickel batteryIn addition, all the obtained electrochemical measurements confirm that theproduced nickel electrodes can be used in small and large-scale applications, as theyshow high stability and much improved current dynamics, similar to industrialelectrolyzers. Also, the fabricated electrodes' increased double-layer capacitance (CDL)can depict their use as "supercapacitors."

Οι ενεργειακές απαιτήσεις του μέλλοντος είναι αδύνατο να καλυφθούν μέσωτων ισχυόντων μεθόδων παραγωγής ενέργειας. Νέες καινοτόμες και περιβαλλοντικάφιλικές μορφές ενέργειας είναι απαραίτητες να εφευρεθούν και να εφαρμοστούνάμεσα. Μια φιλική ως προς το περιβάλλον μέθοδος παραγωγής ενέργειας, είναι ηενέργεια που μπορεί να ληφθεί από το υδρογόνο. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσαδιδακτορική διατριβή ασχολείται επισταμένως με την αύξηση της παραγωγής τουυδρογόνου μέσω της κατασκευής νανοδομημένων ηλεκτροδίων και της χρήσης τους σεαλκαλικά διαλύματα στην αντίδραση της ηλεκτρόλυσης. Κυρίως μελετάται η ημι-αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (Hydrogen Evolution Reaction, HER) και o τρόπος που οινανοδομημένες επιφάνειες βελτιώνουν την απόδοση της αντίδρασης.Στην ερευνητική κοινότητα αλλά και στη βιομηχανία χρησιμοποιούνταιδιάφορες τεχνικές και μέθοδοι για τη δημιουργία νέων – πρωτοπόρων ηλεκτροδίων, γιατην αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια πουχρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικό επίπεδο για την παραγωγή του υδρογόνουείναι τα Raney – Ni και τα 40 wt. % Pt/C, τα οποία παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματαόσο και μειονεκτήματα. Τα κυριότερα μειονεκτήματα τους είναι: ο χρόνος διάβρωσηςτης ηλεκτροκαταλυτικής τους επιφάνειας, ο “δηλητηριασμός” που υπόκεινται ηεπίστρωσή τους, η πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία παραγωγής τους καθώς καιτο υψηλό κόστος τους. Συνεπώς με σκοπό να αποφευχθούν και να περιοριστούν κάποιααπό τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα, η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει τουςακόλουθους ερευνητικούς στόχους:i. Τη ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου παραγωγής ηλεκτροδίων για τηνκατασκευή ανθεκτικών ηλεκτροδίων σε αλκαλικά διαλύματα με μιασχετικά απλή διαδικασία,ii. Την δημιουργία νανοδομών με τη χρήση βραχύχρονων παλμών λέιζερεπάνω στο υπόστρωμα του ηλεκτροδίου Ni και Fe για αύξηση τηςηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας του,iii. Την επιπρόσθετη αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας τωννανοδομημένων επιφανειών με ηλεκτροεναπόθεση σωματιδίων Ni,iv. Τη αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου στα νανοδομημέναηλεκτρόδια,v. Τη δημιουργία μιας διάταξης για την μέτρηση του παραγόμενουυδρογόνου, η οποία θα δύναται να υπόκειται σε αλλαγές ανάλογα με τομέγεθος των ηλεκτροδίων.Παράλληλα, με την εφαρμογή καινοτόμου μεθόδου της χρήσης βραχύχρονωνπαλμών λέιζερ για την νανοδόμηση επιφανειών και δημιουργίας ηλεκτροδίων γιαχρήση τους στην HER εκτός από την αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας και τηςανθεκτικότητας των δομών, παρουσιάζεται και η δυνατότητα δημιουργίας σύνθετωναρχιτεκτονικών μορφών επάνω στο υπόστρωμα με υψηλή προσρόφηση για μετέπειταεναπόθεση σωματιδίων.Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν στο πειραματικό μέρος αποδεικνύουν ότι ταηλεκτρόδια νικελίου που κατασκευάστηκαν αυξάνουν την απόδοση του παραγόμενουυδρογόνου κατά 3.7 (Κεφάλαιο 3ο ) και 4.5 φορές (Κεφάλαιο 4ο) σε σχέση με ένα μηνανοδομημένο ηλεκτρόδιο νικελίου. Στο 5ο κεφάλαιο του πειραματικού μέρους, τοπαραχθέν ηλεκτρόδιο σιδήρου παρόλο που παρουσιάζει αύξηση (50%) στην παραγωγήυδρογόνο σε σχέση με ένα λείο ηλεκτρόδιο σιδήρου, η παραγωγή αυτή δεν ήτανσυγκρίσιμη με την αύξηση που προσδίδουν τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια του νικελίου.Παρόλο αυτά, τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια νικελίου και σιδήρου μπορούν ναχρησιμοποιηθούν ως άνοδο και κάθοδο σε μια νέα-βελτιωμένη μπαταρία σιδήρου –νικελίου.Επιπροσθέτως, όλες οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που ελήφθησανεπιβεβαιώνουν ότι τα παραχθέν ηλεκτρόδια νικελίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σεμικρής και μεγάλης κλίμακας πρακτικές εφαρμογές, καθώς εμφανίζουν μεγάλησταθερότητα και πολύ βελτιωμένα υπερδυναμικά σε πυκνότητες έντασης ρεύματοςπου προσομοιάζουν συνθήκες βιομηχανικών “electrolysers”. Επίσης, η αυξημένηχωρητικότητα (CDL) των κατασκευασμένων ηλεκτροδίων μπορεί να οδηγήσει και στηχρήση τους ως «supercapacitors».