Μελέτη φωτοστοιχείων καυσίμου για παραγωγή ενέργειας υπό την επίδραση ηλιακής ακτινοβολίας καταναλώνοντας οργανικούς ή ανόργανους ρύπους
Authors: Σφαέλου Σταυρούλα 
Published: August 2021

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η φωτοηλεκτροχημική παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και υδρογόνου με χρήση φωτοστοιχείων καυσίμου. Τα φωτοστοιχεία καυσίμου είναι φωτοηλεκτροχημικά κελιά τα οποία αποτελούν έναν εναλλακτικό τρόπο μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε χρήσιμες μορφές ενέργειας, με παράλληλη κατανάλωση και αποδόμηση διαφόρων ειδών οργανικών ή ανόργανων ρύπων που χρησιμοποιούνται ως θυσιαζόμενες ενώσεις. Ένα φωτοστοιχείο καυσίμου αποτελείται από το ηλεκτρόδιο της ανόδου στο οποίο εναποτίθεται ένας νανοδομημένος ημιαγωγός που δρα ως φωτοκαταλύτης και το αντιηλεκτρόδιο στο οποίο εναποτίθεται ο ηλεκτροκαταλύτης. Τα δύο αυτά ηλεκτρόδια είναι βυθισμένα σε ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη στο οποίο προστίθεται η θυσιαζόμενη ένωση και συνδέονται μεταξύ τους μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Φωτόνια με ενέργεια υψηλότερη από το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού της φωτοανόδου, απορροφώνται από τον ημιαγωγό και μετατρέπονται σε ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Στη συνέχεια, οι φωτοπαραγόμενες οπές στη ζώνη σθένους, κινούνται προς τη διεπιφάνεια ημιαγωγού/ηλεκτρολύτη όπου συμμετέχουν σε αντιδράσεις οξείδωσης των θυσιαζόμενων ενώσεων, ενώ τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος στο αντιηλεκτρόδιο όπου και συμμετέχουν σε αναγωγικές αντιδράσεις. Στα φωτοστοιχεία καυσίμου τα οποία περιείχαν οργανική θυσιαζόμενη ένωση χρησιμοποιήθηκε η αιθανόλη, ως αντιπροσωπευτικό δείγμα αλκοολών που μπορούν να βρεθούν σε διάφορα είδη αποβλήτων και παραπροϊόντων βιομάζας. Ως φωτοκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε το TiO2¬ φωτοευαισθητοποιημένο ή μη με διαφορετικά είδη κβαντικών τελειών ενώ έγινε επίσης μελέτη διαφορετικών ηλεκτροκαταλυτών με στόχο την αντικατάσταση του λευκόχρυσου. Εκτός από τις διάφορες κατηγορίες οργανικών ενώσεων που μπορούν να δράσουν ως θυσιαζόμενες ενώσεις σε ένα φωτοστοιχείο καυσίμου, υπάρχουν και ανόργανες ενώσεις που μπορούν να λειτουργήσουν ως αποτελεσματικοί δέκτες οπών και να ευνοήσουν το διαχωρισμό των φορέων φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά μίγματα θείου (S/Na2S και Na2S/Na2SO3) τα οποία είναι παραπροϊόντα της επεξεργασίας ορυκτών καυσίμων. Στην πρώτη περίπτωση, η μελέτη βασίστηκε μόνο στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος καθώς η χρήση μίγματος S/Na2S οδηγεί στη δημιουργία ιόντων S22- η αναγωγή των οποίων ανταγωνίζεται την αναγωγή των υδρογονοκατιόντων με αποτέλεσμα να μην ευνοείται ο σχηματισμός αερίου υδρογόνου. Αντίθετα, στην περίπτωση της χρήσης ηλεκτρολύτη που περιείχε Na2S/Na2SO3 μελετήθηκε τόσο η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος όσο και η παραγωγή υδρογόνου. Ως φωτοάνοδος χρησιμοποιήθηκε το TiO2 συνδυασμένο με διαφορετικά είδη κβαντικών τελειών ενώ οι ηλεκτροκαταλύτες που μελετήθηκαν ήταν κυρίως θειούχα μέταλλα (CuS, CoS, Cu2S) καθώς ο λευκόχρυσος δεν είναι σταθερός σε θειούχους ηλεκτρολύτες και αυξάνει την αντίσταση μεταφοράς φορτίου.Επίσης, στα πλαίσια μελέτης της φωτοηλεκτροχημικής παραγωγής υδρογόνου, εκτός από το TiO2 έγινε σύνθεση και μελέτη των WO¬3 και BiVO4. Τα δύο αυτά υλικά είναι ημιαγωγοί μεσαίου ενεργειακού χάσματος και πλεονεκτούν έναντι της τιτάνιας καθώς εμφανίζουν απορρόφηση στην ορατή περιοχή του φάσματος.