Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται χρήση λεπτών υμενίων TiO2 ως στερεό υπόστρωμα για την ακινητοποίηση πρωτεϊνών με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη ενός αμπερομετρικού βιοαισθητήρα με ευαισθησία στο υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Αρχικά περιγράφεται η λειτουργία των βιοαισθητήρων καθώς και οι σημαντικότεροι τύποι βιοαισθητήρων που έχουν κατασκευαστεί μέχρι σήμερα. Σημαντικό ρόλο στην επιτυχή κατασκευή ενός βιοαισθητήρα παίζει η επιλογή του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα / ηλεκτρόδιο (υμένια TiO2) καθώς και ο τρόπος που ακινητοποιείται το βιομόριο πάνω σε αυτό, γι’ αυτό και έχει δοθεί έμφαση στην ανάλυση των παραπάνω πληροφοριών. Επίσης περιγράφεται η δομή και η φυσική λειτουργία της πρωτεΐνης, (κυτόχρωμα c), που χρησιμοποιήθηκε ως το βιομόριο επιλογής για την ανάπτυξη του βιοαισθητήρα. Αναλύθηκαν επίσης οι κρυσταλλικές δομές του διοξειδίου του τιτανίου, οι βασικές φυσικοχημικές τους ιδιότητες και οι λόγοι που επιλέξαμε την ανατάση για τη συγκεκριμένη εργασία. Περιγράφεται η πειραματική διαδικασία εναπόθεσης των υμενίων του TiO2 σε υποστρώματα αγώγιμου υάλου. Στη συνέχεια περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν τόσο για τον χαρακτηρισμό των υμενίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) όσο και για την αναλυτική μελέτη της ακινητοποίησης του κυτοχρώματος c πάνω σε αυτά. Τέλος περιγράφεται η ηλεκτροχημική κυψελίδα 3 ηλεκτροδίων και η τεχνική της κυκλικής βολταμετρίας που επιλέχθηκαν τόσο για τη μελέτη των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των υμενίων TiO2 με ή χωρίς ακινητοποιημένη πρωτεΐνη όσο και για την ανάπτυξη ενός αμπερομετρικού βιοαισθητήρα με ευαισθησία στο H2O2. / In the present study, the use of thin nanocrystalline TiO2 films as solid substrates for protein immobilization and for the development of an electrochemical biosensor for hydrogen peroxide (H2O2) are investigated. First of all, a general description of biosensors and their most important types that have been developed to date is given. For the successful development of a biosensor, the choice of material/substrate used as the surface/electrode (thin film of TiO2) for the attachment of the bio-molecule of interest, as well as the manner in which the bio-molecule is immobilized upon it are critical and therefore emphasis is given for the analysis of this information. Furthermore, a description of the structure and basic functions of the bio-molecules (cytochrome c and hemoglobin), used for the immobilization studies and for the development of the biosensor is presented. Additionally, the crystalline structures of titanium dioxide have been analyzed, along with its basic physicochemical properties and the reasons for choosing its anatase structure for the specific project. In the experimental part, the deposition of the colloidal TiO2 paste on conducting glass for the preparation of the thin mesoporous TiO2 films is described in detail. Also described are the experimental techniques used for the characterization of these films as well as a thorough analysis of the binding of cytochrome c upon them and the parameters that influence its adsorption. Finally, description of the 3-elecrode electrochemical cell used in this study of perform of cyclic voltammetry experiments in order to investigate the electrochemical properties of the TiO2 thin films with or without immobilized protein is given. The same setup is also used for the development of an electrochemical biosensor for H2O2.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε χρήση λεπτών καταλυτικών ηλεκτροδίων Pt/YSZ και Pt/TiO2/YSZ στην έκταση του φαινομένου της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης, χρησιμοποιώντας την πρότυπη αντίδραση οξείδωσης αιθυλενίου, σε οξειδωτικές συνθήκες (μεταξύ 280oC και 375oC) σε αντιδραστήρα μονής πελέτας. Βρέθηκε ότι η παρουσία ενός διεσπαρμένου υμενίου TiO2 μεταξύ του καταλυτικού ηλεκτροδίου και του στερεού ηλεκτρολύτη (YSZ), έχει σημαντική επίδραση στην έκταση του μεγέθους του φαινομένου της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της κατάλυσης. Οι τιμές του λόγου προσαύξησης ρυθμού και της φαρανταϊκής απόδοσης υπολογίστηκαν περίπου 2.5 και 4 φορές μεγαλύτερες για το στοιχείο όπου η TiO2 ήταν παρούσα. Αυτή η προσαύξηση στα μεγέθη αυτά οφείλεται τόσο σε μορφολογικές παραμέτρους, όπως η αυξημένη διασπορά της Pt στον φορέα και του μήκους των τριών φάσεων, παρουσία του υμενίου TiO2, αλλά κυρίως λόγω ενός μηχανισμού ενισχυμένης μεταφοράς προωθητικών ειδών Ο2- προς την καταλυτική επιφάνεια που υφίσταται λόγω της μικτής αγωγιμότητας (ιοντικής-ηλεκτρονιακής) της TiO2 σε οξειδωτικές συνθήκες αντίδρασης. Επίσης, μελετήθηκε η χρήση λεπτών καταλυτικών ηλεκτροδίων Pt εναποτεθειμένων με τη μέθοδο sputtering στην έκταση του φαινομένου της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης, χρησιμοποιώντας την πρότυπη αντίδραση οξείδωσης αιθυλενίου, σε έναν μονολιθικό ηλεκτροχημικά ενισχυόμενο αντιδραστήρα. Βρέθηκε ότι και τέτοιου τύπου ηλεκτρόδια – καταλυτικά υμένια είναι ιδιαίτερα καταλυτικά ενεργά και είναι δυνατό να ενισχυθούν ηλεκτροχημικά σε μεγάλο βαθμό. Επίσης, ο αντιδραστήρας λειτούργησε επιτυχώς και παρατηρήθηκε ηλεκτροχημική ενίσχυση, υπό υψηλές ογκομετρικές παροχές (25 l/min), με ταχύτητες χώρου αντιδραστήρα που είναι κοντά σε αυτές που λειτουργούν οι βιομηχανικοί αντιδραστήρες (12000 h-1). Τέλος, μελετήθηκε η αναγωγή του CO2 από Η2 σε ηλεκτρόδια Cu/TiO2/YSZ χρησιμοποιώντας τόσο έναν αντιδραστήρα μονής πελέτας όσο και έναν μονολιθικό ηλεκτροχημικά ενισχυόμενο αντιδραστήρα υπό ατμοσφαιρική πίεση. Χρησιμοποιώντας τον αντιδραστήρα μονής πελέτας βρέθηκε ότι η αντίδραση καταλήγει στην παραγωγή CO και CH4 με εκλεκτικότητα σε CH4 κοντά στο 17%. Η εφαρμογή θετικών και αρνητικών τιμών δυναμικού ενισχύουν τον ρυθμό της αντίδρασης σε μεγάλο βαθμό και επιπλέον μπορεί να τροποποιηθεί και η εκλεκτικότητά της σε CΗ4 που είναι και το επιθυμητό προϊόν. Επίσης, η προσθήκη μικρών ποσοτήτων CH3OH (~0.5 kPa) στο μίγμα τροφοδοσίας βρέθηκε ότι τροποποιεί σημαντικά τον ρυθμό παραγωγής του CH4, η εκλεκτικότητα του οποίου αγγίζει το 100% ακόμη και από τους 280οC. Χρησιμοποιώντας τον μονολιθικό ηλεκτροχημικά ενισχυμένο αντιδραστήρα, MEPR, εξοπλισμένο με 20 πλάκες Cu/TiO2/YSZ τα προϊόντα της αντίδρασης ήταν CO, CH4 και C2H4. Η εκλεκτικότητα στην παραγωγή του CH4 και του C2H4 έφτασε έως το 80% και το 2%, αντίστοιχα ενώ η μέγιστη μετατροπή του CO2 έφτασε έως και το 40% στους 380οC. Όπως και στον αντιδραστήρα μονής πελέτας, η προσθήκη CH3OH στο μίγμα τροφοδοσίας είχε ως αποτέλεσμα η εκλεκτικότητα στην παραγωγή CH4 να αυξηθεί στο 100%. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι είναι εφικτή η απευθείας αναγωγή του CO2 προς χρήσιμους υδρογονάνθρακες σε ατμοσφαιρική πίεση. / In the present work the electrochemical promotion of Pt/YSZ and Pt/TiO2/YSZ catalyst-electrodes has been investigated, for the model reaction of C2H4 oxidation in an atmospheric pressure single chamber reactor, under oxygen excess between 280 and 375oC. It has been found that the presence of a dispersed TiO2 thin layer between the catalyst electrode and the solid electrolyte (YSZ), results in a significant increase of the magnitude of the electrochemical promotion of catalysis (EPOC) effect. The rate enhancement ratio upon current application and the faradaic efficiency values, were found to be a factor of 2.5 and 4 respectively, higher than those in absence of TiO2. This significantly enhanced EPOC effect via the addition of TiO2 suggests that the presence of the porous TiO2 layer enhances the transport of promoting O2- species onto the Pt catalyst surface. This enhancement may be partly due to morphological factors, such as increased Pt dispersion and three-phase-boundary length in presence of the TiO2 porous layer, but appears to be mainly caused by the mixed ionic-electronic conductivity of the TiO2 layer which results to enhanced O2- transport to the Pt surface via a self-driven electrochemical promotion O2- transport mechanism. Also, the use of thin catalytic Pt sputtered electrodes (Pt/YSZ/Au) was examined in the MEPR for the model reaction of C2H4 oxidation. It was found that such thin electrodes are catalytically active and can be electropromoted even under high gas flow rates (25 l/min) or high space velocity (HSV~12000 s-1), close to those that the industrial reactors operate. A single chamber reactor equipped with a Cu/TiO2/YSZ electrode and a monolithic electropromoted reactor (MEPR) with up to 20 thin Cu/TiO2/YSZ plate cells were also used to investigate the hydrogenation of CO2 at atmospheric pressure. Utilizing the single chamber reactor CO and CH4 was produced with selectivity to CH4 up to 17%. Both positive and negative applied potential significantly enhance the hydrogenation rate and selectivity to CH4. It was found that the addition of small (~0.5kPa) amounts of CH3OH in the feed has a pronounced promotional effect on the reaction rate and selectivity of the Cu/TiO2/YSZ cells. The selective reduction of CO2 to CH4 starts at 280oC (vs 350oC in absence of CH3OH) with near 100% CH4 selectivity at open-circuit and under polarization conditions at temperatures 280–380oC. Utilizing a MEPR equipped with 20 Cu/TiO2/YSZ cells CO, CH4 and C2H4 were produced with selectivities to CH4 and C2H4 up to 80% and 2%. The maximum CO2 conversion reached 40% at 380oC. The addition of small (~0.5 kPa) amounts of CH3OH in the feed has also a pronounced promotional effect on the reaction rate and selectivity to CH4 (near 100%) at open-circuit and under polarization conditions at temperatures 220–380oC. The results show the possibility of direct CO2 conversion to useful products in a MEPR via electrochemical promotion at atmospheric pressure.