Οι εξαιρετικά καλές μηχανικές ιδιότητες που εμφανίζουν οι νανοσωλήνες άνθρακα τους καθιστούν ιδανικό ενισχυτικό μέσο για πολυμερικές μήτρες με σκοπό την παραγωγή σύνθετων πολυμερικών υλικών υψηλής αντοχής. Για την παρασκευή όμως τέτοιων υλικών είναι αναγκαία η τροποποίηση της επιφάνειας των νανοσωλήνων με σκοπό την δημιουργία «ενεργούς» διεπιφάνειας αλληλεπίδρασης μεταξύ αυτών και της πολυμερικής μήτρας. Σε αυτό το πλαίσιο, στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας, έγινε συστηματική μελέτη της χημικής και ηλεκτροχημικής τροποποίησης της επιφάνειας νανοσωλήνων άνθρακα, έτσι ώστε να βρεθεί το καλύτερο οξειδωτικό μέσο και οι καταλληλότερες συνθήκες οξείδωσης για να επιτευχθεί η ενσωμάτωσή τους σε πολυμερική μήτρα. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν η Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες-Χ και Υπεριώδες (XPS, UPS), η Φασματοσκοπία Raman και η θερμοσταθμική ανάλυση TGA. Αρχικά τροποποιήθηκαν νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχίου σε μορφή υμενίου (φιλμ) με την τεχνική της ηλεκτροχημικής οξείδωσης χρησιμοποιώντας ως ηλεκτρολύτη διάλυμα χλωριούχου νατρίου (ΝaCl). Οι νανοσωλήνες είχαν τοποθετηθεί στη θέση της ανόδου σε σταθερή βάση στήριξης. Τα αποτελέσματα από την φασματοσκοπία XPS έδειξαν ότι αν και επιτυγχάνεται οξείδωση, υπάρχει δυσαναλογία ως προς τα ποσοστά των λειτουργικών ομάδων που επάγωνται στην επιφάνεια του υμενίου σε σχέση με την ένταση της οξειδωτικής διαδικασίας. Στη συνέχεια, μελετώντας υμένια που οξειδώθηκαν σε σταθερή βάση χρησιμοποιώντας HNO3 ως ηλεκτρολύτη, παρατηρήθηκε ότι δεν επιτυγχάνεται ομοιόμορφη ηλεκτροχημική οξείδωση και στις δύο πλευρές των υμενίων. Έτσι σχεδιάστηκε περιστροφικό σύστημα για την άνοδο (περιστροφική βάση), η οποία και χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω. Έχοντας κάνει αυτή την αλλαγή στο ηλεκτροχημικό κελί έγιναν μελέτες όπου χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρολύτες διαλύματα νιτρικού οξέος (ΗΝΟ3), υδροχλωρικού οξέος (ΗCl) και καυστικής ποτάσας (ΚΟΗ). Βρέθηκε ότι το νιτρικό οξύ οδηγεί (υπό κατάλληλες συνθήκες) σε ικανοποιητική αλλά και ελεγχόμενη τροποποίηση της επιφάνειας. Το υδροχλωρικό οξύ, όπως αναμενόταν, λειτούργησε ως ένα αποτελεσματικό οξειδωτικό μέσο για τον καθαρισμό των νανοσωλήνων από επικαθίσεις άμορφου άνθρακα, ενώ η καυστική ποτάσα έδειξε ότι είναι ισχυρό οξειδωτικό μέσο δημιουργώντας λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια του φιλμ νανοσωλήνων άνθρακα σε λιγότερο χρόνο οξείδωσης. Στην συνέχεια μελετήθηκε η απλή χημική οξείδωση σκόνης νανοσωλήνων άνθρακα χρησιμοποιώντας ως οξειδωτικά μέσα μείγμα θεϊκού οξέος (Η2SO4) και υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η2Ο2) γνωστό και ως piranha, διάλυμα υδροχλωρικού οξέος και νιτρικού οξέος αλλά και μείγμα υδροξείδιου του αμμωνίου με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Βρέθηκε ότι η οξείδωση με piranha δημιουργούσε σχετικά χαμηλό αριθμό δομικών ατελειών στην επιφάνεια των νανοσωλήνων ενώ ταυτόχρονα οδηγούσε σε ικανοποιητικού βαθμού τροποποίηση επάγοντας επιφανειακές λειτουργικές ομάδες. Έτσι η διαδικασία τροποποίησης με piranha ήταν αυτή που επιλέχθηκε για τη προετοιμασία των υμενίων νανοσωλήνων που θα αποτελούσαν το ενισχυτικό υλικό στο σύνθετο πολυμερικό υλικό. Η μελέτη των δειγμάτων σύνθετων πολυμερικών υλικών σε διάφορα ποσοστά εποξειδικής ρητίνης έγινε με XPS. Στα φάσματα που προήλθαν από τα σύνθετα υλικά εντοπίστηκαν χαρακτηριστικά που αποτελούν ενδείξεις ότι η χημική συγγένεια μεταξύ του υμενίου και της πολυμερικής μήτρας είχε επιτευχθεί. Αξιοσημείωτη είναι όμως και η επιφανειακή ανομοιομορφία που παρατηρήθηκε στα συγκεκριμένα υλικά. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήθηκαν δύο υβριδικά μόρια που προήλθαν από προσάρτηση πολυμερικών αλυσίδων στην επιφάνεια νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχίου. Οι πολυμερικές αλυσίδες προήλθαν από το μονομερές του μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (ΜΜΑ) και του ακρυλικού οξέως (ΑΑ). Τα αποτελέσματα τον μετρήσεων με XPS έδειξαν ότι η πολυμερική αλυσίδα και στις δύο περιπτώσεις περιβάλλει την επιφάνεια του νανοσωλήνα στον οποίο έχει προσαρτηθεί. Επιπλέον εντοπίστηκαν φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά που αποτελούν ενδείξεις ότι αλυσίδες έχουν προσαρτηθεί χημικά στην επιφάνεια των νανοσωλήνων. Αλλά και η φασματοσκοπία Raman πιστοποίησε ότι η προσάρτηση των πολυμερικών αλυσίδων έχει επιτευχθεί και στις δύο περιπτώσεις. Μέσω της θερμοσταθμικής ανάλυσης TGA φαίνεται μάλιστα το υβριδικό μόριο με προσαρτημένες αλυσίδες PAA να είναι μεγαλύτερου μοριακού βάρους από το αντίστοιχο υβριδικό μόριο με προσαρτημένες αλυσίδες PMMA. / The excellent mechanical properties of carbon nanotubes render them as ideal reinforcing materials for the development of polymer-based composite materials of high mechanical strength. However, for the production of such composites, the surface modification of carbon nanotubes appears to be a necessary step in order to form an “active” interface with the polymeric matrix. In this context, within the first part of this work, a systematic study of the chemical and electrochemical surface modification of carbon nanotubes took place. The scope was to identify the proper oxidation conditions that lead to the maximum number of surface functional groups while, at the same time, keeping the graphitic lattice intact by preventing defect formation. Two surface sensitive techniques, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UPS) as well as Raman Spectroscopy and Thermogravimetric Analysis (TGA) were employed for this study. Multi-wall carbon nanotubes in the form of buckypapers were initially modified by electrochemical oxidation, using NaCl. In the electrochemical cell, the buckypapers were placed at the anode position on an immovable holder. XPS showed that the surface functionalisation was achieved. Nevertheless, quantitative analysis demonstrated that the quantity of the functional groups was not related to the intensity of the oxidation conditions. Studying both sides of buckypapers, oxidised in the same way by HNO3 clearly proved that the side of the film that “faces” the procedure is more affected. For this reason a new electrochemical cell was designed, where the film holder (anode) was able to rotate during the oxidation procedure. Using this new cell, buckpaper electrochemical oxidation was studied in ΗΝΟ3, ΗCl and ΚΟΗ solutions. It was found that HNO3 (under proper conditions) can lead to successful surface modification in a controllable manner. As expected HCl had a very mild effect, mainly cleaning the film surface from amorphous carbon contamination. Finally, KOH was found to act as a fast oxidising surface agent but in a less controllable way. Multi-wall carbon nanotubes in the form of powder were modified by a wet oxidation method using Η2SO4-Η2Ο2 (piranha), HCl, HNO3 and HNO4-Η2Ο2 solutions. The treatment with piranha solution was found to lead to the formation of a relatively low number of structural defects while, at the same time, it was inducing a moderate number of surface functional groups. Thus, piranha solution was selected to be used for the preparation of the reinforcing material (in the form of a buckypaper) for the composite polymer that was the final product of these efforts. The XPS study of the produced composite polymeric materials was performed on samples prepared with different quantities of epoxy resin (polymeric matrix). The spectra originating from the composite samples had both the spectroscopic features of the nanotubes and the polymer. Although surface inhomogeneity was observed, there was evidence of an active interface between the nanotubes and the matrix. The second and shorter part of this work was dedicated to the study of two hybrid molecules prepared by grafting polymeric chains on the surface of single wall carbon nanotubes. The polymer chains originated from the methacrylic methylester (MMA) and acrylic oxide (AA) monomers. XPS measurements showed that in both cases the polymer chains wrap around the nanotubes. Furthermore, there was spectroscopic evidence that the chains have been chemically attached to the nanotubes. This was also supported by Raman spectroscopy measurements. Thermogravimetric analysis showed that the hybrid molecule with the PAA chains attached was of higher molecular weight compared to that with PMMA chains.

Κατά την διάρκεια του προγράμματος SESAME (Southern European Seas: Assessing and Modelling Ecosystem changes) χρηματοδοτούμενο από την ΕΕ, μετρήθηκαν σωματιδιακές ροές με την χρήση διάταξης ιζηματοπαγίδων στη Μαύρη Θάλασσα και ειδικότερα στη θέση 43ο01,950Ν, 29ο28,525Ε σε βάθος 2000m. Η διάταξη ποντίστηκε για 12 μήνες, σε δύο ποντίσεις, από 16 Οκτωβρίου 2007 έως 16 Οκτωβρίου 2008 και έφερε δύο ιζηματοπαγίδες σε βάθη 1000m και 1965m. Το καθιζάνον υλικό αναλύθηκε και μετρήθηκαν η ολική ροή, καθώς επίσης και οι ροές οργανικού C, ανθρακικών, βιογενούς Si και λιθογενούς κλάσματος. Οι χρονοσειρές των ροών έδειξαν έντονη διακύμανση σε όλη την διάρκεια του πειράματος και οι μέσες ετήσιες ολικές ροές ήταν 109 και 86 mg m-2 d-1, δείχνοντας μια μείωση με το βάθος. Το σωματιδιακό υλικό έδειξε μια εξαιρετική ομοιότητα ως προς την ποιοτική σύσταση στα δύο βάθη συλλογής και χαρακτηρίζεται από υψηλά ποσοστά οργανικού άνθρακα (10,5%). Γενικά το βιογενές υλικό, με περίπου 54%, κυριαρχεί του λιθογενούς που φτάνει το 46%. / As part of the SESAME (Southern European Seas: Assessing and Modelling Ecosystem changes) EU-funded research project, particle flux data was obtained with one instrumented array moored in SW Black Sea at 43ο01,950Ν, 29ο28,525Ε and 2000m depth. The mooring line was deployed over 12 months, from October 16th 2007 to October 16th 2008 and was equipped with two sediment trap-current meter pairs at 1000m and 1965m of water depth. The settling material was analyzed to obtain total mass, lithogenic, calcium carbonate, organic carbon and opal fluxes. Time-series of fluxes showed strong temporal variations over the experiment. The mean annual total mass fluxes were 109 and 86 mg m-2 d-1, showing a decrease with the depth. The qualitative composition of particulate matter was impressively similar at both depths of collection and it is characterized by high content of organic C, reaching 10,5%. Generally biogenic material dominates with around 54%, while lithogenic content was 46%.

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται συνεχής αύξηση της έντασης του φαινομένου του θερμοκηπίου γεγονός που προκαλεί σημαντικές συνέπειες στο περιβάλλον και στη ζωή μας γενικότερα. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η μείωση της ανθρωπογενούς εκπομπής των αερίων που συμβάλλουν στην αύξηση του φαινομένου αυτού. Η εκμετάλλευση και χρήση των δύο πιο σημαντικών θερμοκηπικών αερίων, του μεθανίου και του διοξειδίου του άνθρακα, μπορεί να επιτευχθεί με την αναμόρφωση του CH4 με CO2 ή αλλιώς ξηρή αναμόρφωση του μεθανίου (Dry Reforming of Methane-DRM). Με τη διεργασία DRM τα δύο συγκεκριμένα αέρια μετατρέπονται σε αέριο σύνθεσης (synthesis gas), το οποίο χρησιμοποιείται είτε για τη σύνθεση πληθώρας οργανικών ενώσεων, είτε για την παραγωγή Η2 για ενεργειακούς σκοπούς. Η DRM παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα: δεν απαιτείται η χρήση ύδατος, φθηνό σχετικά κόστος εγκαταστάσεων, χρησιμοποιείται σε χημικά συστήματα μεταφοράς ενέργειας, ενώ και το αέριο σύνθεσης που παράγεται έχει ακόμα κατάλληλη αναλογία για συνθέσεις Fischer–Tropsch. Παρόλα αυτά η DRM δεν έχει εκτεταμένη βιομηχανική εφαρμογή επειδή αντιμετωπίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα: ο καταλύτης μετά από κάποιο χρόνο λειτουργίας απενεργοποιείται λόγω του άνθρακα που αποτίθεται πάνω του. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ο state of the art καταλύτης Ni/Al2O3, τον οποίο τροποποιήσαμε με βόριο σε διάφορους λόγους [Β/(B+Νi)] με κύριο στόχο τη μείωση των ανθρακούχων αποθέσεων. Οι τροποποιημένοι καταλύτες συντέθηκαν με τη μέθοδο του υγρού συνεμποτισμού και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά με διάφορες τεχνικές, ώστε να μελετήσουμε την επίδραση του βορίου στην υφή τους (ΒΕΤ, porosimetry, SEM, TEM), στη δομή τους (XRD, UV-Vis DRS) και στην αναγωγιμότητά τους (H2-TPR). Η καταλυτική συμπεριφορά τους για την αντίδραση της ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου αξιολογήθηκε σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, για 24h, σε συνθήκες: 973Κ, 1 atm, τροφοδοσία 50%CH4-50%CO2. Ο άνθρακας που αποτέθηκε στους χρησιμοποιημένους καταλύτες μετρήθηκε με τη μέθοδο της θερμοπρογραμματισμένης υδρογόνωσης (TPH). Τα ανηγμένα και χρησιμοποιημένα στην DRM καταλυτικά δείγματα μελετήθηκαν επίσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM με αναλυτή EDS) και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διαπερατότητας (ΤΕΜ). Βρέθηκε ότι η παρουσία του Β μειώνει σημαντικά την ποσότητα του αποτιθέμενου άνθρακα στους καταλύτες Ni/Al2O3, σε ποσοστό έως και 86%, χωρίς να επηρεάζει ιδιαίτερα τη δραστικότητα και την εκλεκτικότητα των καταλυτών. Σημαντικό ρόλο παίζει το ποσοστό του Β στον καταλύτη, με τον καταλύτη με λόγο Β/(B+Νi) = 0,5 να εμφανίζει τη βέλτιστη συμπεριφορά. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι η ιδιαίτερη θετική επίδραση του βορίου οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι ευνοεί τη διασπορά του μεταλλικού νικελίου. Τροποποίηση με βόριο, σε κατάλληλη περιοχή φορτίσεων, του καταλύτη Ni/Al2O3 μεγιστοποιεί το πλήθος των νανοσωματιδίων νικελίου με μέση διάσταση < 6.0 nm, τα οποία, ως γνωστόν, ελαχιστοποιούν την απόθεση άνθρακα. / The intensity of the greenhouse effect is constantly increasing in the last few decades with an adverse effect both on the environment and the humanity. In order to decrease the effect, human-caused emissions should be minimized. The two most important greenhouse gases, methane and carbon dioxide, can be used in the DRM (Dry Reforming of Methane) process. With this process the above mentioned gases are converted to synthesis gas, which is then used for the synthesis of a great number of organic compounds and synthetic fuels (through the Fisher-Tropsch syntheses) or for the production hydrogen to be used as a fuel (energy purposes). The DRM process presents a number of advantages, namely: no water is required, relatively low cost of process plants,it can be used as a Chemical Energy Transfer System and, finally, the produced synthesis gas has adequate CO/H2 ratio for Fisher-Tropsch syntheses. Although DRM is a promising process, its industrial application is hindered by a major drawback: the catalysts are rapidly deactivating due to coking. In the current study, the state of the art catalyst Ni/Al2O3 was studied and modified with boron, using different ratios of Β/(B+Νi). Our primary objective was to reduce coking. The modified catalysts were synthesized by wet co-impregnation and physicochemically characterized in their oxidic, reduced and used forms, using various techniques, in order to investigate the influence of boron on the texture (BET, Porosimetry, SEM, TEM), structure (XRD, UV-Vis DRS) and reducibility (H2-TPR) of the catalysts. The catalytic performance for the DRM process was studied under stable conditions (973Κ, 1 atm and 50%CH4-50%CO2 undiluted feed), for 24h, using a fixed bed reactor. Carbonaceous deposits on the used catalysts were determined by Temperature Programmed Hydrogenation (TPH). Scanning Electron Microscopy (SEM) with EDS analyser and Transmission Electron Microscopy (TEM) were also used in the study of reduced and used catalytic samples. Modifying Ni/Al2O3 catalysts with boron results in a great decrease of the deposited coke (up to 86%), without any significantly influence on the activity and selectivity of the catalysts. A major factor influencing the catalyst is the B loading, with the ratio Β/(B+Νi)=0,5 giving the best results. Boron’s positive effect was mainly attributed to its ability to increase Ni dispersion. Modification of Ni/Al2O3 catalysts, by using the appropriate boron loading, resulted to an increase of the amount of nickel nanoparticles with an average dimension under 6.0 nm, which are known to minimize coke deposition.