Συστοιχίες μεμβράνης / ηλεκτροδίων με ανοδικούς ηλεκτροκαταλύτες ιριδίου υποστηριγμένους σε υποξείδια τιτανίου για διατάξεις ηλεκτρόλυσης νερού τύπου πολυμερικής μεμβράνης.
Creators: name: Κασαράκη, Αναστασία Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2025
Subjects: Υδρογόνο
Ηλεκτρόλυση νερού PEM
Ηλεκτροκαταλύτες ιριδίου
Hydrogen
PEM water electrolysis
Iridium electrocatalysts

description: Η ραγδαία αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και η επιταχυνόμενη εκβιομηχάνιση έχουν οδηγήσει σε δραματική άνοδο της ενεργειακής ζήτησης, η οποία κυρίως καλύπτεται από ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, η καύση αυτών συμβάλλει σημαντικά στις εκπομπές CO2 και άλλων αερίων του θερμοκηπίου, ενισχύοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και επιδεινώνοντας την κλιματική αλλαγή. Η κλιματική κρίση απαιτεί άμεση δράση και την υιοθέτηση βιώσιμων λύσεων για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα μέσα από καθαρότερες μορφές ενέργειας. Η Ευρωπαϊκή Ένωση, στο πλαίσιο της στρατηγικής της για την κλιματική ουδετερότητα, στοχεύει σε μηδενικές εκπομπές CO2 έως το 2050, προωθώντας τη χρήση βιώσιμων και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ένας από τους βασικούς πυλώνες της μετάβασης προς ένα βιώσιμο σύστημα ενέργειας αποτελεί το υδρογόνο, και ειδικότερα το "πράσινο υδρογόνο", το οποίο παράγεται μέσω της ηλεκτρόλυσης νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και αποτελεί έναν πολλά υποσχόμενο φορέα ενέργειας στον 21ο αιώνα. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι κυψέλες ηλεκτρόλυσης PEM αποτελούν μια επιθυμητή τεχνολογία για την παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας και έχουν προσελκύσει έντονα το ερευνητικό ενδιαφέρον, λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους. Ωστόσο, η χρήση δαπανηρών ηλεκτροκαταλυτών αυξάνει σημαντικά το κόστος, περιορίζοντας τη δυνατότητα εμπορικής εφαρμογής και ευρείας υιοθέτησης αυτής της τεχνολογίας. Μέχρι σήμερα, σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στην ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών και αποτελεσματικών ηλεκτροκαταλυτών, αποτελούμενων από μη-πολύτιμα μέταλλα. Σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η παρασκευή συστοιχιών μεμβράνης/ηλεκτροδίων (membrane electrode assemblies, ΜΕΑ) σε κυψέλες ηλεκτρόλυσης νερού τύπου πολυμερικής μεμβράνης (polymer electrolyte membrane ή proton exchange membrane, PEM), χρησιμοποιώντας ανοδικούς ηλεκτροκαταλύτες οξειδίου του ιριδίου εναποτιθέμενου σε τροποποιημένους φορείς οξειδίου του τιτανίου (TinO2n-1(n=4,5,6), Ti9O17, Ti4O7(com) και V-TinO2n-1,) για την μελέτη της ενεργότητας και σταθερότητας τους σε πραγματικές συνθήκες ηλεκτρόλυσης. Συγκεκριμένα, οι ΜΕΑs παρασκευάστηκαν με την τεχνική του αυτόματου ψεκασμού υπερήχων εκατέρωθεν της πολυμερικής μεμβράνης Nafion N115 και τοποθετήθηκαν σε κελί ηλεκτρόλυσης τύπου PEM. Το ποσοστό φόρτισης των υποστρωματων σε Ir ήταν της τάξης 30 wt%. Οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις για την αξιολόγηση του πιο αποδοτικού ηλεκτροκαταλύτη αφορούν μετρήσεις Γραμμικής Σάρωσης Δυναμικού (linear sweep voltammetry, LSV) και φάσματα Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) και η σύγκρισή τους πραγματοποιήθηκε αναφορικά με το εμπορικό μη υποστηριγμένο οξείδιο του ιριδίου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μελέτη σταθερότητας του ηλεκτροκαταλύτη Ir/Ti9O17 σε μακροχρόνια λειτουργία. Από τις μετρήσεις που ελήφθησαν κατά τον ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό των υλικών προέκυψε ότι, ο εμπορικός καταλύτης IrO2 παρουσίασε την υψηλότερη ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα ανά μονάδα επιφάνειας, επιβεβαιώνοντας παράλληλα την καλύτερη αγωγιμότητά του σε σύγκριση με τους εργαστηριακά παρασκευασμένους καταλύτες. Από τους εργαστηριακά παρασκευασμένους καταλύτες, ο Ir/TinO2n-1(n=4,5,6) ξεχώρισε με τη βέλτιστη απόδοση και σταθερότητα, γεγονός που τον καθιστά πολλά υποσχόμενο για μελλοντική χρήση σε κυψέλες ηλεκτρόλυσης νερού τύπου PEM, λαμβάνοντας υπόψη τη χαμηλή φόρτιση (~30%) σε πολύτιμο μέταλλο (Ir). Με βάση την μάζα του Ir, όλοι οι εργαστηριακά παρασκευασμένοι καταλύτες εμφάνισαν υψηλότερη ενεργότητα σε σύγκριση με το εμπορικό IrO2, παρά τη σημαντική μείωση της φόρτισης σε Ir. Τέλος, ο καταλύτης Ir/Ti9O17 εμφάνισε ικανοποιητική σταθερότητα κατά τη μακροχρόνια δοκιμή, αναδεικνύοντάς τον ως έναν ιδιαίτερα αποδοτικό καταλύτη για μακροχρόνιες εφαρμογές.
description: The rapid increase in global population and accelerated industrialization have led to a dramatic rise in energy demand, which is primarily met by fossil fuels. However, the combustion of these fuels significantly contributes to CO2 emissions and other greenhouse gases, exacerbating global warming and intensifying climate change. The climate crisis demands immediate action and the adoption of sustainable solutions to reduce carbon emissions through cleaner energy sources. The European Union, as part of its strategy for climate neutrality, aims for zero CO2 emissions by 2050, promoting the use of sustainable and renewable energy sources. One of the key pillars in the transition to a sustainable energy system is hydrogen, particularly "green hydrogen," which is produced through water electrolysis using renewable energy sources. Its unique properties make it a highly promising energy carrier for the 21st century. In recent decades, PEM electrolysis cells have become a desirable technology for producing highly pure hydrogen and have attracted significant research interest due to their exceptional characteristics. However, the use of expensive electrocatalysts significantly increases the cost, limiting the potential for commercial application and widespread adoption of this technology. To date, substantial research efforts have been dedicated to developing cost-effective and efficient non-precious metals electrocatalysts. The primary objective of this thesis was the development of membrane electrode assemblies (MEAs) for use in PEM water electrolysis cells, utilising iridium oxide-based anodic electrocatalysts supported on modified titanium oxide supports (TinO2n-1 (4≤n≤6), Ti9O17, Ti4O7(com), and V-TinO2n-1), to study their activity and stability under realistic electrolysis conditions. Specifically, the MEAs were fabricated using the ultrasonic spray deposition technique on both sides of a Nafion N115 polymer membrane and placed in a PEM electrolysis cell. The Ir loading on the substrates was approximately 30 wt%. The electrochemical measurements for evaluating the most efficient electrocatalyst include Linear Sweep Voltammetry (LSV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements and the comparison was performed with commercial unsupported iridium oxide. Additionally, a stability study was conducted on the Ir/Ti9O17 electrocatalyst during long-term operation. Based on the measurements obtained from the electrochemical characterization of the materials, the commercial catalyst IrO2 exhibited the highest electrocatalytic activity in terms of current density per electrode surface area, confirming its superior conductivity compared to the lab-prepared catalysts. Among the lab-prepared catalysts, Ir/TinO2n-1(n=4,5,6) stood out with the best performance and stability, making it a promising candidate for future use in PEM water electrolysis cells, considering the low loading (~30% wt) of precious metal (Ir). Based on the Ir loading, all prepared catalysts demonstrated higher activity compared to commercial IrO2, despite the significant reduction of Ir loading. Finally, Ir/Ti9O17 catalyst showed competent performance during long-term stability testing, highlighting it as a particularly suitable catalyst for long-term applications.