Research and development of amperometric solid oxide sensors for gas detection

Abstract

A significant increase in our standard of living has been achieved by the rapid development of science and technology in the 21st century. However, as this growth has occurred, our energy needs have also increased. Parallel to this development, problems havearisen concerning the planet's atmosphere, such as the greenhouse effect, and acid rain. All this creates issues in human health. The main source of the above-mentioned problems is the ever-growing demand for energy, 85% of which comes from the combustion of fossil fuels, mainly hydrocarbons. From this combustion, except energy, the main greenhouse gases that cause depletion of the ozone layer - carbon dioxide and steam - are produced. Moreover, due to industrialization, many hazardous gases are realized through industrial processes. Thus, electrochemical gas sensors, which are gas detection devices that can analyze the composition of a target atmosphere in real time, can be really useful in many areas. Such sensors can help solve environmental problems and warn people about the presence of dangerous gases. In addition, as non-renewable energy sources are depleted, there is a need for energy conservation. The combustion process can be optimized by analyzing the composition of emissions from combustion of vehicles or industrial plants. The thesis consists of two parts: The part I includes two theory chapters. More precisely, the chapter I of this dissertation provides basic information about the materials used for electrochemical devices and the processes in these devices. It first covers the basics of solid -state electrochemistry and the basics of solid-state electrolytes, which are important for understanding electrochemical devices. The chapter II includes three published review-papers coauthored by the candidate, in order to give a wide range of information on the research in the field of electrochemical sensors. The part II includes the experimental techniques described in chapter III, where are presented the most important electrochemical and physicochemical techniques for the analysis of the tested devices or used materials. Last, the configuration and the principle of operation of the most popular electrochemical devices are discussed. Moreover, in the part II are also included six experimental chapters IV-IX (six published works, coauthored by the candidate) and an appendix. In these chapters, the experimental resultson sensors for the detection of important gases are reported and thoroughly analyzed. The design and operating principle of a wide-range of solid electrolyte-based electrochemical sensors for detecting various gases are presented. In addition, the efficiency of each sensor is verified based on experimental data and I-V curves. Finally, in the Appendix I is included a coauthored (by the candidate) work that is published as a book chapter, while in Appendix II personal information of Dr Gorbova is provided.

Μια σημαντική αύξηση του βιοτικού μας επιπέδου έχει επιτευχθεί χάρη στην ραγδαία ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας στον 21ο αιώνα. Ωστόσο, καθώς αυτή η ανάπτυξη έχει συμβεί, έχουν αυξηθεί και οι ενεργειακές μας ανάγκες. Παράλληλα με αυτήν την ανάπτυξη, έχουν προκύψει προβλήματα που αφορούν την ατμόσφαιρα του πλανήτη, όπως η εξάντληση του στρώματος του όζοντος στην ατμόσφαιρα, το φαινόμενο του θερμοκηπίου και η όξινη βροχή. Όλα αυτά δημιουργούν προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία. Η κύρια πηγή των προαναφερθέντων προβλημάτων είναι η συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ενέργεια, το 85% της οποίας προέρχεται από την καύση ορυκτών καυσίμων, κυρίως υδρογονανθράκων. Από αυτήν την καύση, εκτός από την ενέργεια, παράγονται τα κύρια αέρια του θερμοκηπίου - το διοξείδιο του άνθρακα και ο ατμός. Επιπλέον, λόγω της εκβιομηχάνισης, πολλά επικίνδυνα αέρια παράγονται μέσω βιομηχανικών διεργασιών. Έτσι, οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων, οι οποίοι είναι συσκευές ανίχνευσης αερίων που μπορούν να αναλύσουν τη σύνθεση μιας ατμόσφαιρας-στόχου σε πραγματικό χρόνο, μπορούν να είναι πραγματικά χρήσιμοι σε πολλούς τομείς. Τέτοιοι αισθητήρες μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση περιβαλλοντικών προβλημάτων και να προειδοποιήσουν τους ανθρώπους για την παρουσία επικίνδυνων αερίων. Επιπλέον, καθώς οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εξαντλούνται, υπάρχει ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας. Η διαδικασία καύσης μπορεί να βελτιστοποιηθεί αναλύοντας τη σύσταση των εκπομπών από την καύση στα οχήματα ή στις βιομηχανικές εγκαταστάσεων. Η διατριβή αποτελείται από δύο μέρη: Το μέρος Ι περιλαμβάνει δύο θεωρητικά κεφάλαια. Το κεφάλαιο Ι παρέχει βασικέςπληροφορίες σχετικά με τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τις ηλεκτροχημικές συσκευές και τις διεργασίες σε αυτές τις συσκευές. Αρχικά καλύπτει τα βασικά της ηλεκτροχημείας στερεάς κατάστασης και τα βασικά των ηλεκτρολυτών στερεάς κατάστασης, τα οποία είναι σημαντικά για την κατανόηση των ηλεκτροχημικών συσκευών. Το κεφάλαιο II περιλαμβάνει τρεις δημοσιευμένες ανασκοπήσεις που συνυπέγραψε ο υποψήφιος, προκειμένου να δώσει ένα ευρύ φάσμα πληροφοριών σχετικά με την έρευνα στον τομέα των ηλεκτροχημικών αισθητήρων. Το μέρος II περιλαμβάνει τις πειραματικές τεχνικές που περιγράφονται στο κεφάλαιοIII, όπου παρουσιάζονται οι πιο σημαντικές ηλεκτροχημικές και φυσικοχημικές τεχνικές για την ανάλυση των δοκιμασμένων συσκευών ή των χρησιμοποιούμενων υλικών. Τέλος, συζητείται η διαμόρφωση και η αρχή λειτουργίας των πιο δημοφιλών ηλεκτροχημικών συσκευών. Επιπλέον, στο μέρος II περιλαμβάνονται επίσης έξη πειραματικά κεφάλαια IV-IX (έξη δημοσιευμένες εργασίες, που συνυπογράφει ο υποψήφιος) και ένα παράρτημα. Σε αυτά τα κεφάλαια, αναφέρονται και αναλύονται διεξοδικά τα πειραματικά αποτελέσματα σε αισθητήρες για την ανίχνευση σημαντικών αερίων. Παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η αρχή λειτουργίας μιας ευρείας γκάμας ηλεκτροχημικών αισθητήρων που βασίζονται σε στερεούς ηλεκτρολύτες για την ανίχνευση διαφόρων αερίων. Επιπλέον, επαληθεύεται η απόδοση κάθε αισθητήρα με βάση πειραματικά δεδομένα και καμπύλες I-V. Τέλος, στο Παράρτημα I περιλαμβάνεται μια συνυπογράφουσα (από τον υποψήφιο) εργασία που έχει δημοσιευτεί ως κεφάλαιο βιβλίου, ενώ στο Παράρτημα ΙΙ παρατίθενται κάποια στοιχεία από τις σπουδές και την ερευνητική δραστηριότητα της Δρα Γκόρμποβα