Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή υδρογόνου με χρήση φωτοκαταλύτη διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) μελετήθηκε με χρήση τεχνητής ηλιακής ή ορατής ακτινοβολίας Βρέθηκε ότι ο αρχικός ρυθμός της αντίδρασης αυξάνεται σημαντικά με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων Pt στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Στον καταλύτη αυτό, μελετήθηκε η επίδραση του pH καθώς και της θερμοκρασίας του αιωρήματος στην φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι τόσο η αύξηση του pH όσο και η αύξηση της θερμοκρασίας έως τους 800C οδηγούν σε ενίσχυση του ρυθμού παραγωγής. Ο ρυθμός μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω και να διατηρηθεί σε υψηλά επίπεδα για μεγάλους χρόνους ακτινοβόλησης, αν στο υδατικό αιώρημα προστεθεί ποσότητα «δότη ηλεκτρονίων» σε κατάλληλη συγκέντρωση. Πρόκειται για οργανικές ενώσεις (χρωστικές, αλκοόλες, σάκχαρα κ.α.) που απαντώνται σε απόβλητα χημικών βιομηχανιών, οι οποίες δρουν σαν «θυσιαζόμενες» ενώσεις. Ο ρόλος τους είναι η γρήγορη απομάκρυνση των φωτοπαραγόμενων οπών (ριζών υδροξυλίου) ή/και του φωτοπαραγόμενου οξυγόνου, κατά έναν μη αντιστρεπτό τρόπο, εμποδίζοντας έτσι την επανασύνδεση ηλεκτρονίου-οπής ή/και την αντίστροφη αντίδραση Ο2-Η2 Όταν επιτυγχάνεται πλήρης οξείδωση της οργανικής ένωσης (και των ενδιαμέσων της αντίδρασης) σε διοξείδιο του άνθρακα, το οξυγόνο δεν μπορεί πλέον να απομακρυνθεί από την επιφάνεια του φωτοκαταλύτη, με αποτέλεσμα ο ρυθμός παραγωγής Η2 να μειώνεται στα επίπεδα του ρυθμού μόνιμης κατάστασης, που επιτυγχάνεται απουσία «θυσιαζόμενης» ένωσης από το διάλυμα. Οι συνολικά παραγόμενες ποσότητες Η2 και CO2 είναι ευθέως ανάλογες με την ποσότητα του δότη ηλεκτρονίων που αρχικά προτίθεται στο διάλυμα. Επομένως, η παραγωγή υδρογόνου από την φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού με χρήση «θυσιαζόμενων» ενώσεων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη διεργασία καθώς, παράλληλα με τη δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη αποικοδόμηση οργανικών ρύπων που απαντώνται σε υγρά βιομηχανικά απόβλητα. / The production of hydrogen from aqueous TiO2 suspensions illuminated with UV/vis or visible light has been examined It has been found that deposition of Pt (0.5 wt.%) on the semiconductor surface results in an increase of the H2 production rate, which goes through a maximum with time of irradiation and then drops to steady-state values comparable to those obtained over bare TiO2. Both, maximum and steady-state rates obtained over Pt/TiO2 suspensions were found to increase with increasing solution pH and temperature. Addition of small quantities of electron donors (such as dyes, alcohols and sugars) in solution results in significantly enhanced rates of H2 production. Results are explained by considering that organic compounds act as sacrificial agents, which become progressively oxidized toward CO2 by consuming photogenerated holes and/or oxygen. This results in decreased rates of electron-hole recombination and oxygen-hydrogen back reaction and, concomitantly, in increased H2-production rates. The rate of photoinduced hydrogen production depends strongly on the concentration of the sacrificial agent employed and to a lesser extent on solution pH and temperature. When complete mineralization of the sacrificial agent is achieved, photogenerated oxygen can no longer be removed from the photocatalyst surface and the H2-production rate drops to steady-state values, comparable to those obtained in the absence of the organic compound in solution. The amounts of carbon dioxide and “additional” hydrogen produced depend on the nature of the organic additive and are directly proportional to its initial concentration in solution. Quantification of results shows that the overall process may be described as “photoinduced reforming of organic compounds at room temperature”. It is concluded that mineralization of organic pollutants, which are common waste products of biomass processing industries, can be achieved with simultaneous production of H2 fuel. The process may provide an efficient and cost effective method for cleaning up waste streams.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε η μελέτη της φύσης των επιφανειακών ειδών άνθρακα που δημιουργούνται στην επιφάνεια κεραμομεταλλικών υλικών βασισμένα στο Ni-YSZ κατά την θερμοδυναμική ισορροπία της διασπαστικής ρόφησης του μεθανίου. Κύριος στόχος της μελέτης ήταν να διερευνηθεί η επίδραση της παρουσίας ενός δεύτερου μετάλλου στο Ni-YSZ, όσον αφορά τον σχηματισμό και/ή την αναστολή του ανενεργού άνθρακα. Η επικάλυψη της επιφάνειας του Ni με μικρή ποσότητα Au (≤1%at σε σχέση με το Ni) επηρέασε σημαντικά την κινητική της διασπαστικής ρόφησης του CH4 και την ενέργεια δεσμού των ροφημένων ειδών CHx στην επιφάνεια του Ni. Ο σχηματισμός γραφιτικού άνθρακα παρεμποδίστηκε, ενώ η επιφανειακή δραστικότητα για την υδρογόνωση των CHx προς CH4 ήταν χαμηλότερη από ότι στον Ni-YSZ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη σταθερότητα και την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των CHx πάνω στην επιφάνεια του NiAu/YSZ πριν την διάσπαση τους προς επιφανειακά καρβιδικά είδη. Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις, προτάθηκε κινητικό μοντέλο για την περιγραφή της μερικής οξείδωσης του μεθανίου για την παραγωγή αερίου σύνθεσης. Οι αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν την οξείδωση των ειδών CHx προς CHxO και την επακόλουθη διασπασή τους σε υψηλές θερμοκρασίες (700 Κ) προς CO και H2, ενώ τα καρβιδικά είδη οξειδώνονται εκλεκτικά προς CO2 από χαμηλότερες θερμοκρασίες (500 Κ). Από αυτή την άποψη, η εκλεκτικότητα ως προς το αέριο σύνθεσης εξαρτάται από δύο παράγοντες: (i) τον χρόνο ζωής και την επιφανειακή συγκέντρωση των ειδών CHx, και (ii) τη θερμοκρασία διάσπασης των ειδών CHxO. Ως γενικό συμπέρασμα, ο ηλεκτροκαταλύτης Ni(1%at Au)/YSZ αναμένεται να έχει υψηλή αντοχή στην εναπόθεση άνθρακα όπως και εκλεκτικότητα για την μερική οξείδωση του CH4 προς αέριο σύνθεσης. / In order to investigate the possibility of the direct introduction of CH4 into a SOFC, the dissociative adsorption of CH4 and the nature of the various carbon adspecies on Ni-based cermets were studied in the present thesis by means of thermodynamic equilibrium measurements and temperature programming methods. The aim of this study was mainly to elucidate the effect of a second metal addition on Ni-YSZ, regarding the formation and/or inhibition of inactive carbon. The decoration of the Ni surface with very small quantity of Au (≤1at% with respect to Ni) affected significantly both the kinetics of CH4 dissociative adsorption and the binding strength of the adsorbed CHx species on the Ni surface. The formation of graphitic carbon was significantly inhibited, while the surface reactivity towards the hydrogenation of CHx species into CH4 was lower than on the unmodified Ni/YSZ surface. This resulted in the higher stability and elongation of the CHx species life time on the NiAu/YSZ surface prior to their decomposition into surface carbidic species. Based on the experimental results and discussion, a kinetic model is proposed for the description of the partial oxidation of methane towards the production of synthesis gas. The oxidation reactions involve both the oxidation of CHx species into CHxO and its subsequent decomposition at elevated temperatures (700 K) into CO and H2, while carbidic species are selectively oxidized into CO2 at temperatures as low as 500 K. In this respect, the selectivity towards synthesis gas depends on two factors: (i) the lifetime and surface concentration of CHx species, and (ii) the decomposition temperature of the CHxO species. As a conclusion, the Ni(1%at Au with respect to Ni)/YSZ catalyst is expected to be highly carbon tolerant and selective catalyst/electrode for the CH4 partial oxidation reaction for the production of synthesis gas.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών TiO2 και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, τα οποία και μελετήθηκαν ως προς την φωτοηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου από νερό ή/και οργανικές ενώσεις. Τα ηλεκτρόδια λεπτών υμενίων παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο εμβάπτισης – επίστρωσης σε διάλυμα TiO2. Τα ηλεκτρόδια Τιτάνιας ήταν νανοπορώδη και παρουσίαζαν νανοκρυσταλλική δομή ανατάση με μέγεθος σωματιδίων 15 nm. Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε φωτοηλεκτροχημικό αντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η φωτοβόληση των ηλεκτροδίων τιτάνιας τα ενεργοποιεί, διεγείροντας ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργώντας οπές στη ζώνη σθένους. Για την παραγωγή υδρογόνου ήταν απαραίτητη η επιβολή δυναμικού ή η παρουσία οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου βελτιστοποιήθηκε συναρτήσει του πάχους του υμενίου και της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Συμπερασματικά έχει τεράστιο δυναμικό για εφαρμογή σε φωτοηλεκτροχημικά κελιά καυσίμου για ταυτόχρονο καθαρισμό υδάτων από οργανικούς ρύπους και παραγωγή ενός «καθαρού» καυσίμου, του υδρογόνου. / The object of this thesis is the composition, characterization and the study of photosensitive TiO2 electrocatalysts and their formation in electrodes, which were studied for the photoelectrochemical production of hydrogen from water and/or organic compounds. The thin film electrodes were prepared with the dip - coating method in TiO2 solution. The titania electrodes were nanoporous and nanocrystaline, of anatase phase with particle size 15 nm. The study of electrodes took place in a photoelectrochemical reactor. The results showed that the illumination of the titania electrode activates it, arousing electrons in the conduction band and creating holes in the valence band. For the production of hydrogen, it was necessary to apply potential, or the presence of organic compounds in the electrolyte. The production rate of hydrogen was optimised with respect to the thickness of the film and the concentration of organic compounds in the electrolyte. In conclusion, this method has enormous potential for application in photoelectrochemical fuel cells for simultaneous cleaning of water from organic pollutants and production of “clean” fuel, hydrogen.