title: Παραγωγή Υδρογόνου με τη χρήση νανοτεχνολογίας
title: Hydrogen production through nanotechnology 
Creators: name: Ποιμενιδης Ιωαννης
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: Οι ενεργειακές απαιτήσεις του μέλλοντος είναι αδύνατο να καλυφθούν μέσω
των ισχυόντων μεθόδων παραγωγής ενέργειας. Νέες καινοτόμες και περιβαλλοντικά
φιλικές μορφές ενέργειας είναι απαραίτητες να εφευρεθούν και να εφαρμοστούν
άμεσα. Μια φιλική ως προς το περιβάλλον μέθοδος παραγωγής ενέργειας, είναι η
ενέργεια που μπορεί να ληφθεί από το υδρογόνο. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα
διδακτορική διατριβή ασχολείται επισταμένως με την αύξηση της παραγωγής του
υδρογόνου μέσω της κατασκευής νανοδομημένων ηλεκτροδίων και της χρήσης τους σε αλκαλικά διαλύματα στην αντίδραση της ηλεκτρόλυσης. Κυρίως μελετάται η ημι-
αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (Hydrogen Evolution Reaction, HER) και o τρόπος που οι νανοδομημένες επιφάνειες βελτιώνουν την απόδοση της αντίδρασης.
Στην ερευνητική κοινότητα αλλά και στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται
διάφορες τεχνικές και μέθοδοι για τη δημιουργία νέων – πρωτοπόρων ηλεκτροδίων, για την αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόδια που
χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικό επίπεδο για την παραγωγή του υδρογόνου
είναι τα Raney – Ni και τα 40 wt. % Pt/C, τα οποία παρουσιάζουν τόσο πλεονεκτήματα
όσο και μειονεκτήματα. Τα κυριότερα μειονεκτήματα τους είναι: ο χρόνος διάβρωσης
της ηλεκτροκαταλυτικής τους επιφάνειας, ο “δηλητηριασμός” που υπόκεινται η
επίστρωσή τους, η πολύπλοκη και χρονοβόρα διαδικασία παραγωγής τους καθώς και
το υψηλό κόστος τους. Συνεπώς με σκοπό να αποφευχθούν και να περιοριστούν κάποια από τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα, η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει τους ακόλουθους ερευνητικούς στόχους:
i. Τη ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου παραγωγής ηλεκτροδίων για την
κατασκευή ανθεκτικών ηλεκτροδίων σε αλκαλικά διαλύματα με μια
σχετικά απλή διαδικασία,
ii. Την δημιουργία νανοδομών με τη χρήση βραχύχρονων παλμών λέιζερ
επάνω στο υπόστρωμα του ηλεκτροδίου Ni και Fe για αύξηση της
ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας του,
iii. Την επιπρόσθετη αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας των
νανοδομημένων επιφανειών με ηλεκτροεναπόθεση σωματιδίων Ni,
iv. Τη αύξηση της παραγωγής του υδρογόνου στα νανοδομημένα
ηλεκτρόδια,
v. Τη δημιουργία μιας διάταξης για την μέτρηση του παραγόμενου
υδρογόνου, η οποία θα δύναται να υπόκειται σε αλλαγές ανάλογα με το
μέγεθος των ηλεκτροδίων.
Παράλληλα, με την εφαρμογή καινοτόμου μεθόδου της χρήσης βραχύχρονων
παλμών λέιζερ για την νανοδόμηση επιφανειών και δημιουργίας ηλεκτροδίων για
χρήση τους στην HER εκτός από την αύξηση της ηλεκτροκαταλυτικής επιφάνειας και της ανθεκτικότητας των δομών, παρουσιάζεται και η δυνατότητα δημιουργίας σύνθετων αρχιτεκτονικών μορφών επάνω στο υπόστρωμα με υψηλή προσρόφηση για μετέπειτα εναπόθεση σωματιδίων.
Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν στο πειραματικό μέρος αποδεικνύουν ότι τα
ηλεκτρόδια νικελίου που κατασκευάστηκαν αυξάνουν την απόδοση του παραγόμενου υδρογόνου κατά 3.7 (Κεφάλαιο 3ο ) και 4.5 φορές (Κεφάλαιο 4ο) σε σχέση με ένα μη νανοδομημένο ηλεκτρόδιο νικελίου. Στο 5ο κεφάλαιο του πειραματικού μέρους, το παραχθέν ηλεκτρόδιο σιδήρου παρόλο που παρουσιάζει αύξηση (50%) στην παραγωγή υδρογόνο σε σχέση με ένα λείο ηλεκτρόδιο σιδήρου, η παραγωγή αυτή δεν ήταν συγκρίσιμη με την αύξηση που προσδίδουν τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια του νικελίου.
Παρόλο αυτά, τα νανοδομημένα ηλεκτρόδια νικελίου και σιδήρου μπορούν να
χρησιμοποιηθούν ως άνοδο και κάθοδο σε μια νέα-βελτιωμένη μπαταρία σιδήρου –
νικελίου.
Επιπροσθέτως, όλες οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που ελήφθησαν
επιβεβαιώνουν ότι τα παραχθέν ηλεκτρόδια νικελίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε
μικρής και μεγάλης κλίμακας πρακτικές εφαρμογές, καθώς εμφανίζουν μεγάλη
σταθερότητα και πολύ βελτιωμένα υπερδυναμικά σε πυκνότητες έντασης ρεύματος
που προσομοιάζουν συνθήκες βιομηχανικών “electrolysers”. Επίσης, η αυξημένη
χωρητικότητα (CDL) των κατασκευασμένων ηλεκτροδίων μπορεί να οδηγήσει και στη
χρήση τους ως «supercapacitors».
description: The future energy requirements are impossible to meet through existing energy production methods. New innovative and environmentally friendly forms of energy need to be invented and implemented immediately. An environmentally friendly method of energy production is the energy that can be obtained from hydrogen.  
The present thesis deals diligently with the increase of hydrogen production through the fabrication of nanostructured electrodes and their use in alkaline electrolysis. The primary study of this thesis is the Hydrogen Evolution Reaction (HER) and how the fabricated nanostructured surfaces improve the reaction efficiency. 
This thesis has the following research objectives: 
i. The development of a new method of fabricating electrodes with resistance in alkaline solutions by a relatively straightforward process, 
ii. The creation of nanostructures using short-term laser pulses on the substrate of Ni and Fe electrodes to increase their electrocatalytically active surface, 
iii. The additional increase of the electrocatalytic surface of the laser nanostructured surfaces with electrodeposition of Ni particles, 
iv. The enhancement of hydrogen production of the nanostructured electrodes, 
v. The creation of a setup for measuring the produced hydrogen, which may be subject to changes depending on the size of the electrodes. 
At the same time, with the application of short-term laser pulses for the reconstruction of surfaces and the creation of electrodes for their use in HER, there is a possibility of creating complex architectural forms on the substrate with high adsorption for subsequent particle deposition. 
The results obtained in the experimental part show that the laser-nanostructured nickel electrodes increased the hydrogen production up to 4.5 times compared to a non-nanostructured nickel electrode. Moreover, the fabricated laser-nanostructured iron electrode increased hydrogen production by up to 50% compared to an untreated iron electrode. The nanostructured nickel and iron electrodes may also be used as cathode and anode for a newly-improved iron-nickel battery 
In addition, all the obtained electrochemical measurements confirm that the produced nickel electrodes can be used in small and large-scale applications, as they show high stability and much improved current dynamics, similar to industrial electrolyzers. Also, the fabricated electrodes' increased double-layer capacitance (CDL) can depict their use as "supercapacitors."