Παραγωγή Υδρογόνου με τη χρήση νανοτεχνολογίας
Authors: Ποιμενίδης Ιωάννης 
Published: June 2022

Οι ενεργειακές απαιτήσεις του μέλλοντος είναι αδύνατο να καλυφθούν μέσωτων ισχυόντων μεθόδων παραγωγής ενέργειας. Νέες καινοτόμες και περιβαλλοντικάφιλικές μορφές ενέργειας είναι απαραίτητες να εφευρεθούν και να εφαρμοστούνάμεσα. Μια φιλική ως προς το περιβάλλον μέθοδος παραγωγής ενέργειας, είναι ηενέργεια που μπορεί να ληφθεί από το υδρογόνο. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσαδιδακτορική διατριβή ασχολείται επισταμένως με την αύξηση της παραγωγής τουυδρογόνου μέσω της κατασκευής νανοδομημένων ηλεκτροδίων και της χρήσης τους σεαλκαλικά διαλύματα στην αντίδραση της ηλεκτρόλυσης. Κυρίως μελετάται η ημι-αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (Hydrogen Evolution Reaction, HER) και o τρόπος που οινανοδομημένες επιφάνειες βελτιώνουν την απόδοση της αντίδρασης.Στην ερευνητική κοινότητα αλλά και στη βιομηχανία χρησιμοποιούνταιδιάφορες τεχνικές και μέθοδοι για τη δημιουργία νέων – πρωτοπόρων ηλεκτροδίων, γιατην αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια πουχρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικό επίπεδο για την παραγωγή του υδρογόνουείναι τα Raney – Ni και τα 40 wt. % Pt/C, τα οποία παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματαόσο και μειονεκτήματα. Τα κυριότερα μειονεκτήματα τους είναι: ο χρόνος διάβρωσηςτης ηλεκτροκαταλυτικής τους επιφάνειας, ο “δηλητηριασμός” που υπόκεινται ηεπίστρωσή τους, η πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία παραγωγής τους καθώς καιτο υψηλό κόστος τους. Συνεπώς με σκοπό να αποφευχθούν και να περιοριστούν κάποιααπό τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα, η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει τουςακόλουθους ερευνητικούς στόχους:i. Τη ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου παραγωγής ηλεκτροδίων για τηνκατασκευή ανθεκτικών ηλεκτροδίων σε αλκαλικά διαλύματα με μιασχετικά απλή διαδικασία,ii. Την δημιουργία νανοδομών με τη χρήση βραχύχρονων παλμών λέιζερεπάνω στο υπόστρωμα του ηλεκτροδίου Ni και Fe για αύξηση τηςηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας του,iii. Την επιπρόσθετη αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας τωννανοδομημένων επιφανειών με ηλεκτροεναπόθεση σωματιδίων Ni,iv. Τη αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου στα νανοδομημέναηλεκτρόδια,v. Τη δημιουργία μιας διάταξης για την μέτρηση του παραγόμενουυδρογόνου, η οποία θα δύναται να υπόκειται σε αλλαγές ανάλογα με τομέγεθος των ηλεκτροδίων.Παράλληλα, με την εφαρμογή καινοτόμου μεθόδου της χρήσης βραχύχρονωνπαλμών λέιζερ για την νανοδόμηση επιφανειών και δημιουργίας ηλεκτροδίων γιαχρήση τους στην HER εκτός από την αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας και τηςανθεκτικότητας των δομών, παρουσιάζεται και η δυνατότητα δημιουργίας σύνθετωναρχιτεκτονικών μορφών επάνω στο υπόστρωμα με υψηλή προσρόφηση για μετέπειταεναπόθεση σωματιδίων.Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν στο πειραματικό μέρος αποδεικνύουν ότι ταηλεκτρόδια νικελίου που κατασκευάστηκαν αυξάνουν την απόδοση του παραγόμενουυδρογόνου κατά 3.7 (Κεφάλαιο 3ο ) και 4.5 φορές (Κεφάλαιο 4ο) σε σχέση με ένα μηνανοδομημένο ηλεκτρόδιο νικελίου. Στο 5ο κεφάλαιο του πειραματικού μέρους, τοπαραχθέν ηλεκτρόδιο σιδήρου παρόλο που παρουσιάζει αύξηση (50%) στην παραγωγήυδρογόνο σε σχέση με ένα λείο ηλεκτρόδιο σιδήρου, η παραγωγή αυτή δεν ήτανσυγκρίσιμη με την αύξηση που προσδίδουν τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια του νικελίου.Παρόλο αυτά, τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια νικελίου και σιδήρου μπορούν ναχρησιμοποιηθούν ως άνοδο και κάθοδο σε μια νέα-βελτιωμένη μπαταρία σιδήρου –νικελίου.Επιπροσθέτως, όλες οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που ελήφθησανεπιβεβαιώνουν ότι τα παραχθέν ηλεκτρόδια νικελίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σεμικρής και μεγάλης κλίμακας πρακτικές εφαρμογές, καθώς εμφανίζουν μεγάλησταθερότητα και πολύ βελτιωμένα υπερδυναμικά σε πυκνότητες έντασης ρεύματοςπου προσομοιάζουν συνθήκες βιομηχανικών “electrolysers”. Επίσης, η αυξημένηχωρητικότητα (CDL) των κατασκευασμένων ηλεκτροδίων μπορεί να οδηγήσει και στηχρήση τους ως «supercapacitors».