Κατασκευή φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η κατασκευή και η μελέτη μιας φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας. Τον ηλεκτρολύτη αποτελούν οργανικές ενώσεις που είναι διαλυμένες σε υδατικό διάλυμα καυστικού νατρίου αλλά και σε διάλυμα θειικού οξέως, και τον καταλύτη αποτελούν κατά κύριο λόγο νανοκρυσταλλικά υμένια TiO2 αλλά και υμένια κατασκευασμένα από την εμπορική σκόνη Degussa-P25, Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ηλεκτροκατάλυση αλκοολών αλλά και η ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα ηλεκτρόδια TiO2 κατασκευάστηκαν σε μορφή λεπτών νανοκρυσταλλικών υμενίων σταθεροποιημένων πάνω σε υποστρώματα ΙΤΟ, επιτρέποντας έτσι απορρόφηση του φωτός και συνεπώς την εκμετάλλευση μεγαλύτερου ποσοστού της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιπλέον, τα υλικά αυτά χαρακτηρίζονται με τη μέθοδο της απορρόφησης UV ακτινοβολίας και στη συνέχεια χρησιμοποιούνται σαν φωτοκαταλύτες σε αντιδράσεις φωτοκαταλυτικής διάσπασης αλκοολών. Για τις αντιδράσεις αυτές, μελετήθηκαν κάποιες λειτουργικές παράμετροι που επηρεάζουν το ρυθμό της αντίδρασης, όπως είναι η ίδια η οργανική ένωση, ο αριθμός των επιστρωμένων επιφανειών υλικού καθώς και η θερμοκρασία ανόπτησης των δειγμάτων. Συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά σε συστήματα αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας εστιάζοντας στην φωτοχημική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε χημική, καθώς επίσης γίνεται ιστορική ανάδρομή της φωτοχημικής κυψελίδας. Στο ίδιο κεφάλαιο περιγράφονται τα γενικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγικών στοιχείων καθώς επίσης και η διαδικασία φωτοδιέγερσης ενός ημιαγωγού. Ένας από αυτούς τους ημιαγωγούς ο οποίος και κατασκευάστηκε είναι το TiO2, τα χαρακτηριστικά και η φωτοκαταλυτική του ενεργότητα καθώς και παράμετροι που επηρεάζουν το ρυθμό της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης περιγράφονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 2. Επιπλέον, στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται κάποιες παράμετροι που επηρεάζουν το ρυθμό της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης και προτάσεις για τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής ενεργότητας του TiO2. Οι εφαρμογές του TiO2 καθώς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του όπως η υδροφιλικότητά του, η φωτοκαταλυτική αντιβακτηριδιακή του δράση, η αποικοδόμηση και οξείδωση βιομηχανικών αποβλήτων και προϊόντων βιομάζας με ειδικές διατάξεις, εφαρμογές αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών και η αντιθαμβωτικές του δράση παρουσιάζονται αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3 Η Σημασία και η αρχές της Κυκλοβολταμετρικής Μεθόδου περιγράφονται στο και Κεφάλαιο 4 Στο πειραματικό μέρος και συγκεκριμένα στο Κεφάλαιο 5 περιγράφονται μέθοδοι παρασκευής των υμενίων ΤiO2, οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, όπως επίσης και οι διάφορες τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των υλικών που παρασκευάστηκαν. Το κεφάλαιο 6 περιλαμβάνει την παρουσίαση, την ερμηνεία και τον σχολιασμό των αποτελεσμάτων και των μετρήσεων κυκλικής βολταμετρίας, αμπερομετρίας και απορρόφησης ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας που πραγματοποιήθηκαν. Τα δείγματα εξετάστηκαν σύμφωνα με τη θερμοκρασία ανόπτησης καθώς παρακολουθήθηκε η μεταβολή των ηλεκτροχημικών διεργασιών συναρτήσει του πάχους του καταλύτη και του είδους του ηλεκτρολυτικού διαλύματος, παρουσία και απουσία αλκοόλης, για κατάσταση σκότους και ακτινοβόλησης. Συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική εργασία αναπτύσσονται στο Κεφάλαιο 7.

The subject of this thesis is the construction and study of an photoelectrochemical cell. The electrolyte consists of organic compounds dissolved in a sodium hydroxide aqueous solution, as well as in a sulfuric acid solution, and the catalyst consists mainly of nanocrystalline TiO2 films and of thin films made from the commercial powder Degussa-P25. The purpose of this work is the electrocatalysis of alcohols and the simultaneous production of electricity. The TiO2 electrodes were manufactured in the form of nanocrystalline thin films deposited on ITO coated substrates, thus enabling the absorption of light and therefore the utilization of a larger percentage of solar radiation. Furthermore, these materials are characterized by the UV radiation absorbing method and then are used as photocatalysts in photocatalytic decomposition reactions of alcohols. For these reactions, some operational parameters that affect the reaction rate were studied, such as the organic compound, the number of coated TiO2 surfaces as well as the annealing temperature of the samples.Specifically Chapter 1 refers to the solar energy utilizing systems, focusing on the photochemical conversion of solar energy into chemical and includes a historical overview of the photochemical cell. The general characteristics of semiconductors as well as the process of photoexcitation of a semiconductor are also described. One of these semiconductors, which was manufactured for this study, is TiO2. Its characteristics and photocatalytic effect, as well as the parameters that affect the photocatalytic reaction rate, are described in detail in Chapter 2. Furthermore, this chapter also refers to some parameters that affect the photocatalytic reaction rate and to suggestions for improving the TiO2 photocatalytic activity. The applications of TiO2 and its particular characteristics such as its hydrophilicity, its photocatalytic antibacterial activity, the degradation and oxidation of industrial waste and biomass products with special experimental setups, the applications of self-cleaning surfaces and its anti-fogging effect are detailed in Chapter 3. The importance and principles of the Cyclovoltametric Method are described in Chapter 4. The experimental part includes the TiO2 thin films preparation methods, the experimental setup used for the conduction of the experiments, as well as and the different techniques used to characterize the samples produced. All these are described in Chapter 5. The 6th chapter includes the presentation, the interpretation and the discussion of the results, and of the measurements of cyclic voltametry, amperometry and absorption of visible and ultraviolet radiation that were carried out. The samples were examined according to the annealing temperature and the alteration of electrochemical processes was monitored in line with the thickness of the catalyst and of the kind of the electrolytic solution, in the presence and absence of alcohol, for dark state and irradiation. Chapter 7 includes the conclusions and suggestions for future work.