Μελέτη της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της υδρογόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα σε καταλυτικά υμένια και νανοδιεσπαρμένους καταλύτες
Authors: Μακρή Μαριαλένα 
Published: September 2021

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την αντίδραση υδρογόνωσης του CO2 η οποία έχει μεγάλο περιβαλλοντικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Η σημαντικότητά της οφείλεται σε δύο λόγους. Πρώτον στο ότι συμβάλλει στη μείωση του CO2 καθώς αξιοποιεί το ήδη υπάρχον και δεύτερον στο γεγονός ότι υδρογονώνοντάς το παράγονται χρήσιμα προϊόντα όπως χημικά και καύσιμα. Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο της Μη Φαρανταϊκής Τροποποίησης της Καταλυτικής Eνεργότητας και Εκλεκτικότητας (NEMCA) μπορούμε να ελέγξουμε in situ την εκλεκτικότητα της αντίδρασης ως προς το επιθυμητό προϊόν. Στις υπό μελέτη συνθήκες τα μόνα ανιχνεύσιμα προϊόντα ήταν το CO και το CH4. Στην Εισαγωγή περιγράφονται το φαινόμενο του θερμοκηπίου, τα προβλήματα που δημιουργούνται από τη συσσώρευση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και τέλος, οι παγκόσμιες προσπάθειες που γίνονται για μείωση των εκπομπών του.Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των στερεών ηλεκτρολυτών που είναι αγωγοί διαφόρων ιόντων και χρησιμοποιούνται εκτενώς στις μελέτες της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης. Εκτενέστερη αναφορά γίνεται στους αγωγούς ιόντων O2- (YSZ) και Na+ ή K+ (β″-Al2O3) που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία.Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται αναλυτική περιγραφή του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης (NEMCA), των φυσικοχημικών μεθόδων που το επιβεβαιώνουν και των κανόνων που το διέπουν. Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση γύρω από την αντίδραση της υδρογόνωσης του CO2 και συγκεκριμένα των μηχανισμών που οδηγούν σε παραγωγή μεθανίου. Αναφέρονται δύο μηχανισμοί, ο ένας γίνεται με απευθείας μετατροπή του CO2 σε μεθάνιο και ο δεύτερος γίνεται μέσω της παραγωγής CO. Ο δεύτερος εμπεριέχει την παραγωγή διαφορετικών ενδιάμεσων προϊόντων ανάλογα με τον καταλύτη, τον φορέα και άλλους παράγοντες που θα περιγραφούν σε αυτό το Κεφάλαιο.Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιείται για τα πειράματα Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης, η διαδικασία παρασκευής των καταλυτών, αλλά και ο χαρακτηρισμός τους, με χρήση μεθόδων XPS, XRD και SEM.. Επίσης περιγράφεται ο τρόπος υπολογισμού της ενεργού καταλυτικής επιφάνειας, NG.Τα αποτελέσματα της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της υδρογόνωσης του CO2 παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 5. Η αντίδραση αυτή έγινε με καταλύτη Ru εναποτεθειμένο σε στερεούς ηλεκτρολύτες Na-β″-Al2O3 και K-β″-Al2O3. Η επιβολή καθοδικού ρεύματος είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση των ρυθμών παραγωγής των προϊόντων με το CO να επιδεικνύει ηλεκτρόφιλη συμπεριφορά και το CΗ4 συμπεριφορά ηφαιστείου. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων του Κεφαλαίου 5 με άλλες μελέτες σε στερεούς ηλεκτρολύτες YSZ και BZY. Επίσης, εξετάζεται η συμφωνία των αποτελεσμάτων όλων των φορέων με τους κανόνες της Χημικής και Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης.Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της υδρογόνωσης του CO2 με χρήση νανοδιεσπαρμένου καταλύτη 2% Ru/YSZ, εναποτεθειμένο σε ένα καταλυτικό υμένιο Ru σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ. Αύξηση της μάζας σε νανοδιεσπαρμένο καταλύτη αύξανε την εκλεκτικότητα σε CH4 και η επιβολή θετικού δυναμικού ενίσχυε την αντίδραση μεθανοποίησης ενώ αρνητικό δυναμικό την παραγωγή CO.