Ανάπτυξη και μελέτη ανοδικών ηλεκτροδίων κελιών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC), ανθεκτικών σε εναπόθεση άνθρακα και σε δηλητηρίαση από θειοενώσεις
Authors: Αθανασίου Μιχαήλ 
Published: September 2021

Ένας από τους κύριους παράγοντες που συντελούν στην υποβάθμιση της ανόδου των τροφοδοτούμενων με φυσικό αέριο / μεθάνιο SOFCs είναι η εναπόθεση άνθρακα και η ταυτόχρονη δηλητηρίαση των υλικών από το θείο, που τελικά οδηγούν σε σοβαρή μείωση τόσο της ήλεκτρο-καταλυτικής όσο και της καταλυτικής δραστικότητας της ανόδου σε ότι αφορά την εσωτερική αναμόρφωση και την μερική οξείδωση του καυσίμου. Απαιτείται επομένως η βελτίωση των υπαρχόντων ηλεκτροδίων με χρήση ανθεκτικότερων και πιο σύνθετων υλικών ώστε να μπορούν να αντεπεξέλθουν τις δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας μιας ανόδου SOFC. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός(φυσικοχημικός & ηλεκτροχημικός) και η καταλυτική / ηλεκτροκαταλυτική μελέτη κέραμο-μεταλλικών κόνεων τροποποιημένων με Au ή/και Μο με βάση το εμπορικά διαθέσιμοNiO/GDC. Τα τροποποιημένα αυτά υλικά παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της ελεγχόμενης εναπόθεσης καταβύθισης για τη περίπτωση των δυαδικών Au – NiOGDC, Mo – NiOGDCδειγμάτων και με την ελεγχόμενη εναπόθεση συγκαταβύθιση για τη περίπτωση των τριαδικών Au – Mo – NiO/GDC.Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός αφορά κυρίως στη δομή των υλικών και στις ιδιότητε ςτους και περιλαμβάνει τις βασικές διαθέσιμες τεχνικές: Μέτρηση Ειδικής Επιφάνειας των δειγμάτων με ρόφηση N2 στους 77 Κ (BET), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEMBSE),Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM), Περίθλαση Ακτινών-Χ (XRD),Φασματοσκοπία Φώτο-ηλεκτρονίων Ακτινών-Χ (XPS), Θερμοσταθμική Ανάλυση (TGA) καιθερμο-προγραμματιζόμενη αναγωγή / οξείδωση (H2 – TPR / O2 - TPO). Καθένα από αυτά τα νέα υλικά παρουσίασε διαφορετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, ενώ οι μετρήσεις με τη τεχνική XPS αλλά κυρίως η διεξαγωγή πειραμάτων θερμοπρογραμματιζόμενης αναγωγής insitu στο XRD, οδήγησαν στο να ερμηνευτεί η παρατηρούμενη αλληλεπίδραση μεταξύ τωνNi , Au και Μο μέσω της προτεινόμενης δημιουργίας επιφανειακών στερεών διαλυμάτων, η οποία λαμβάνει χώρα κατά την αναγωγή των δειγμάτων. Σε ότι φορά τη περίπτωση του Au,η παρουσία του προκαλεί μάλλον αποδυνάμωση του δεσμού Ni-Ο και έτσι ενισχύει την ικανότητα αναγωγής του NiO, ενώ αντιθέτως το Mo ενισχύει το δεσμό Ni-O. Πάντως το βασικό συμπέρασμα που προέκυψε από τα πειράματα αυτά ήταν η εμφάνιση ενός συνεργιστικού φαινομένου μεταξύ Αu & Mo , το οποίο και είναι υπεύθυνο για την εξαιρετική συμπεριφορά την οποία παρουσιάζουν τα τριμεταλλικά δείγματα σε ότι αφορά την εναπόθεση άνθρακα αλλά και τη δηλητηρίαση από το H2S.Αναφορικά με την λειτουργία των υλικών ως άνοδοι σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη - YSZ (electrolyte supported cells), έγινε μελέτη της κινητικής της αντίδρασης εσωτερικής αναμόρφωσης CH4 με Η2Ο, καθώς και ηλεκτροκαταλυτικές μετρήσεις υπό συνθήκες τροφοδοσίας της ανόδου εσωτερικής αναμόρφωσης CH4 με Η2Ο σε διάφορους λόγους CH4 / Η2Ο. Στα πλαίσια των συνθηκών δοκιμής η κινητική και ηλεκτροκαταλυτική απόδοση των υλικών αυτών δεν διαφοροποιήθηκε σημαντικά καθώς η βασική ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά του NiO/GDC, η οποία εξαρτάται από το λόγο τροφοδοσίας CΗ4 / Η2O, δεν φάνηκε να επηρεάζεται ιδιαίτερα κατά τη τροποποίηση τους με το Au και το Mo.Τέλος ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός έγινε με τη μέθοδο της Ηλεκτροχημικής Φασματοσκοπίας Σύνθετης Αντίστασης (EIS) και αφορούσε τη μελέτη του καταλύτη αναφοράς Ni/GDC ως ανοδικού ηλεκτροδίου σε κελιά SOFCs με YSZ ως ηλεκτρολύτη καιLSM καθοδικό ηλεκτρόδιο. Τα φάσματα (EIS) επεξεργάστηκαν με τη μέθοδο των διαγραμμάτων – διαφορών και στη συνέχεια το σύστημα προσομοιώθηκε με τη μέθοδο των ισοδύναμων ηλεκτρικών κυκλωμάτων.