Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός, και προσδιορισμός απόδοσης τροποποιημένων ηλεκτροκαταλυτών Ni/GDC για την αντιστρεπτή λειτουργία κυψελίδων στερεού οξειδίου (rSOCs)

Περίληψη

Η λειτουργία των κυψελίδων στερεού οξειδίου (SOC) σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, τα οποία εντοπίζονται στην καλύτερη απόδοση και στις μειωμένες απώλειες λόγω της ευνοϊκότερης θερμοδυναμικής και κινητικής των αντιδράσεων. Οι κυψελίδες αυτές προσδίδουν ευελιξία εναλλαγής μεταξύ των διεργασιών ηλεκτρόλυσης και οξείδωσης του καυσίμου, με αποτέλεσμα να είναι ιδανικές για χρήση τόσο στην παραγωγή ενέργειας (Χ-to-Power), όσο και στην παραγωγή και αποθήκευση χημικών (Power-to-X). Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν κέραμο-μεταλλικοί ηλεκτροκαταλύτες με βάση την εμπορικά διαθέσιμη σκόνη NiO/GDC (65 wt.% NiO – 35 wt.% Ce0.9Gd0.1O2-x), η οποία τροποποιήθηκε μέσω χημικών μεθόδων με μέταλλα μετάπτωσης όπως ο Au, ο Fe και το Mο, με στόχο τη λειτουργία τους υπό συνθήκες αντιστρεπτής κυψελίδας καυσίμου (rSOC). Οι πρώτες προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη βελτιστοποίηση του ήδη μελετημένου ηλεκτροδίου 0.4 wt.% Mo – 3 wt.% Au – Ni/GDC, με πρωταρχικό στόχο τη μείωση της φόρτισης σε Au ...

Όλα τα τεκμήρια στο ΕΑΔΔ προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.

Η λειτουργία των κυψελίδων στερεού οξειδίου (SOC) σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, τα οποία εντοπίζονται στην καλύτερη απόδοση και στις μειωμένες απώλειες λόγω της ευνοϊκότερης θερμοδυναμικής και κινητικής των αντιδράσεων. Οι κυψελίδες αυτές προσδίδουν ευελιξία εναλλαγής μεταξύ των διεργασιών ηλεκτρόλυσης και οξείδωσης του καυσίμου, με αποτέλεσμα να είναι ιδανικές για χρήση τόσο στην παραγωγή ενέργειας (Χ-to-Power), όσο και στην παραγωγή και αποθήκευση χημικών (Power-to-X). Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν κέραμο-μεταλλικοί ηλεκτροκαταλύτες με βάση την εμπορικά διαθέσιμη σκόνη NiO/GDC (65 wt.% NiO – 35 wt.% Ce0.9Gd0.1O2-x), η οποία τροποποιήθηκε μέσω χημικών μεθόδων με μέταλλα μετάπτωσης όπως ο Au, ο Fe και το Mο, με στόχο τη λειτουργία τους υπό συνθήκες αντιστρεπτής κυψελίδας καυσίμου (rSOC). Οι πρώτες προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη βελτιστοποίηση του ήδη μελετημένου ηλεκτροδίου 0.4 wt.% Mo – 3 wt.% Au – Ni/GDC, με πρωταρχικό στόχο τη μείωση της φόρτισης σε Au, και έπειτα την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας μεταξύ Au και Mo. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν συνθέσεις νέων ηλεκτροκαταλυτών με εναπόθεση των μετάλλων Au και Fe με συνδυασμό των μέχρι πρότινος καλύτερων φορτίσεων (0.5 wt.% και 3 wt.% Au). Στην πορεία δοκιμάστηκαν διαφορετικά ποσοστά με σκοπό τόσο τη μείωση του Au όσο και τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του κάθε μετάλλου στη λειτουργία του ηλεκτροκαταλύτη. Από τις τροποποιημένες σκόνες του NiO/GDC δημιουργήθηκε κατάλληλη πάστα, η οποία εναποτέθηκε ως ηλεκτρόδιο καυσίμου πάνω σε κεραμικό ηλεκτρολύτη 8YSZ (ZrO2 σταθεροποιημένη με 8 mol.% Y2O3) μέσω screen printing. Ως ηλεκτρόδιο οξυγόνου χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικά διαθέσιμος περοβσκίτης LSCoF (La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ). Για τον προσδιορισμό της επίδρασης της κάθε τροποποίησης στα φυσικοχημικά και ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά του Ni/GDC εφαρμόστηκε σειρά μεθόδων σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκε εκτενής φυσικοχημική μελέτη των ηλεκτροδίων, τόσο σε μορφή σκόνης όσο και σε ημιστοιχείου, με την χρήση των τεχνικών BET, SEM, XRD, H2-TPR, H2O-TPO, και in-situ H2O XPS. Ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε σε ένα εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 900 – 800 oC, με την εισαγωγή μιγμάτων διαφορετικών συστάσεων (H2O/H2), εναλλάσσοντας τη λειτουργία από κυψελίδα καυσίμου (SOFC) σε κυψελίδα ηλεκτρόλυσης (SOE). Στις παραπάνω συνθήκες καταγράφηκαν δεδομένα δυναμικού-πυκνότητας ρεύματος (V-i) με ταυτόχρονη ανάλυση μέσω Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (EIS). Το τροποποιημένο Fe-Au-Ni/GDC ηλεκτρόδιο με την καλύτερη ηλεκτροχημική απόδοση μελετήθηκε σε συγκριτικό πείραμα σταθερότητας με το Ni/GDC υπό συνθήκες αντιστρεπτής κυψελίδας καυσίμου (rSOC). Τέλος, πραγματοποιήθηκε ενδελεχής ηλεκτροκινητική μελέτη των δύο αυτών ηλεκτροδίων, τόσο σε λειτουργία κυψελίδας καυσίμου όσο και σε ηλεκτρόλυσης, λαμβάνοντας λεπτομερή φάσματα EIS σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Στόχος των πειραμάτων αυτών ήταν ο υπολογισμός βασικών κινητικών παραμέτρων, όπως είναι η φαινόμενη τάξη της υπό μελέτη αντίδρασης, καθώς και ο προσδιορισμός της επίδρασης των τροποποιήσεων με Fe και Au.
περισσότερα

Περίληψη σε άλλη γλώσσα

The operation of solid oxide cells (SOC) at high temperatures offers several advantages, which are reflected in better performance and reduced losses due to favorable thermodynamics and kinetics of the reactions. These cells provide flexibility to switch between electrolysis and fuel oxidation processes, making them ideal for both energy production (X-to-Power) and chemical production and storage (Power-to-X). In this dissertation, cermet electrocatalysts were developed based on commercially available NiO/GDC powder (65 wt.% NiO - 35 wt.% Ce0.9Gd0.1O2-x) modified through chemical methods with transition metals such as Au, Fe, and Mo, aiming for their operation under reverse solid oxide fuel cell (rSOC) conditions. The initial efforts focused on optimizing the already studied electrode 0.4 wt.% Mo - 3 wt.% Au - Ni/GDC, with the primary goal of reducing the Au content and then finding the optimal ratio of Au to Mo. Subsequently, compositions of new electrocatalysts were created by deposi ...
περισσότερα

Όλα τα τεκμήρια στο ΕΑΔΔ προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.

DOI
10.12681/eadd/54595
Διεύθυνση Handle
http://hdl.handle.net/10442/hedi/54595
ND
54595
Εναλλακτικός τίτλος
Development, characterization, and performance assessment of modified Ni/GDC electrocatalysts for the reversible operation of solid oxide cells (rSOCs)
Συγγραφέας
Ζαραβέλης, Φώτιος (Πατρώνυμο: Νικόλαος)
Ημερομηνία
2023
Ίδρυμα
Πανεπιστήμιο Πατρών. Σχολή Πολυτεχνική. Τμήμα Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ενέργειας και Περιβάλλοντος
Εξεταστική επιτροπή
Νεοφυτίδης Στυλιανός
Κατσαούνης Αλέξανδρος
Κονταρίδης Δημήτριος
Μπεμπέλης Συμεών
Μπαλωμένου Στυλιανή
Ζαφειράτος Σπυρίδων
Τσαμπάς Μιχαήλ
Επιστημονικό πεδίο
Επιστήμες Μηχανικού και ΤεχνολογίαΕπιστήμη Χημικού Μηχανικού ➨ Χημική μηχανική
Λέξεις-κλειδιά
Ενέργεια; Αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας; Υδρογόνο; Κυψελίδες στερεού οξειδίου; Ηλεκτροκαταλύτες Au-Mo-Fe-Ni/GDC
Χώρα
Ελλάδα
Γλώσσα
Αγγλικά
Άλλα στοιχεία
εικ., πιν., σχημ., γραφ.
Στατιστικά χρήσης
ΠΡΟΒΟΛΕΣ
Αφορά στις μοναδικές επισκέψεις της διδακτορικής διατριβής για την χρονική περίοδο 07/2018 - 07/2023.
Πηγή: Google Analytics.
ΞΕΦΥΛΛΙΣΜΑΤΑ
Αφορά στο άνοιγμα του online αναγνώστη για την χρονική περίοδο 07/2018 - 07/2023.
Πηγή: Google Analytics.
ΜΕΤΑΦΟΡΤΩΣΕΙΣ
Αφορά στο σύνολο των μεταφορτώσων του αρχείου της διδακτορικής διατριβής.
Πηγή: Εθνικό Αρχείο Διδακτορικών Διατριβών.
ΧΡΗΣΤΕΣ
Αφορά στους συνδεδεμένους στο σύστημα χρήστες οι οποίοι έχουν αλληλεπιδράσει με τη διδακτορική διατριβή. Ως επί το πλείστον, αφορά τις μεταφορτώσεις.
Πηγή: Εθνικό Αρχείο Διδακτορικών Διατριβών.
Σχετικές εγγραφές (με βάση τις επισκέψεις των χρηστών)