<p>Nanotechnology is a relatively new research topic that attracts increasing interest from scientists and engineers all over the world, due to its novel applications. The use of nanomaterials has extended to a broad range of applications, for example chemical synthesis, microporous media synthesis and catalytic combustion, contributing to achievement of improved or promising results. Microemulsion (ME) is considered a powerful tool for synthesis of nanomaterials, due to its unique properties. This thesis concentrates on the use of the ME as a catalyst synthesis route for obtaining metal nanoparticles for two challenging concepts: Hydrogen production by a membrane reactor and selective catalytic oxidation (SCO) of ammonia in gasified biomass.</p><p>Particularly for the scope of the fist concept presented in this thesis, palladium nanoparticles were synthesised from ME in order to be deposited on zeolite composite membranes to improve the H₂ / CO₂ separation (hydrogen production) ability. The membranes impregnated with Pd nanoparticles were then tested in a metal reactor for the permeance and selectivity towards H₂ and CO₂. Regarding the second concept, cerium-lanthanum oxide nanoparticles were prepared by conventional methods and from ME in order to be tested for their activity towards SCO of ammonia in gasified biomass.</p><p>The environmental importance of these two applications under investigation is great, since both are involved in processes contributing to the minimisation of the harmful exhaust gases released to the atmosphere from numerous industrial applications, such as the oil industry and heat-and-power production (for example combustion of natural gas or biomass in a gas turbine cycle). Regarding these applications, separation and capture of CO₂ from exhaust gases and oxidation of the fuel-bound ammonia in gasified biomass directly to nitrogen, minimising at the same time NO_xformation, are rated as very important technologies. The results obtained from this work and presented analytically in this thesis are considered successful and at the same time promising, since further research on the ME method can even lead to improvement of the current achievements.</p><p>The first part (Chapter 2) of the thesis gives a general background on the ME method and the applications in the two concepts under investigation. Additionally, it describes how the nanoparticles corresponding to the concepts were synthesised.</p><p>The second part (Chapter 3) of the thesis describes the different Pd-nanoparticle impregnation methods on the zeolite composite membranes and the results obtained form the permeation tests. In parallel with impregnation methods, various aspects that affect the Pd impregnation efficiency and the membrane performance such as duration, temperature and calcination conditions are discussed thoroughly.</p><p>The third and final part of the thesis (Chapter 4) concerns the preparation of the cerium-lanthanum oxide catalysts and the activity tests (under simulated gasified biomass fuel conditions) carried out in order to monitor the activity of these catalysts towards the SCO of ammonia. Additionally, a comparison of the activity between identical catalysts prepared by conventional methods and the ME method is discussed.</p>

This study focuses on upgrading biomass derived syngas for the synthesis of liquid fuels using Fischer-Tropsch synthesis (FTS). The process includes novel gasification of biomass via a tri-reforming process which involves a synergetic combination of CO2 reforming, steam reforming, and partial oxidation of methane. Typical biomass-derived syngas H2:CO is 1:1 and contains tars that deactivate FT catalyst. This innovation allows for cost-effective one-step production of syngas in the required H2:CO of 2:1 with reduction of tars for use in the FTS. To maximize the performance of the tri-reforming catalyst, an attempt to control oxygen mobility, thermal stability, dispersion of metal, resistance to coke formation, and strength of metal interaction with support is investigated by varying catalyst synthesis parameters. These synthesis variables include Ce and Zr mixed oxide support ratios, amount Mg and Ni loading, and the preparation of the catalyst. Reaction conditions were also varied to determine the influences reaction temperature, gas composition, and GHSV have on the catalyst performance. Testing under controlled reaction conditions and the use of several catalyst characterization techniques (BET, XRD, TPR, XAFS, SEM-EDS, XPS) were employed to better explain the effects of the synthesis parameters. Applications of the resulting data were used to design proof of concept solar powered BTL plant. This paper highlights the performance of the tri-reforming catalyst under various reaction conditions and explains results using catalyst characterization.

Biomass-fuelled proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) offer asolution for replacing fossil fuel for hydrogen production. Through using thebiomass-derived hydrogen as fuel, PEMFCs may become an efficient andsustainable energy system for small and medium-sized enterprises. The aim ofthis thesis is to evaluate the performance and potential applications of biomassfuelledPEMFC systems which are designed to convert biomass to electricity andheat. Biomass-fuelled PEMFC systems are simulated by Aspen plus based ondata collected from experiments and literature.The impact of the quality of the hydrogen-rich gas, anode stoichiometry, CH4content in the biogas and CH4 conversion rate on the performance of the PEMFCis investigated. Also, pinch technology is used to optimize the heat exchangernetwork to improve the power generation and thermal efficiency.For liquid and solid biomass, anaerobic digestion (AD) and gasification (GF),respectively, are relatively viable and developed conversion technologies. ForAD-PEMFC, a steam reformer is also needed to convert biogas to hydrogen-richgas. For 100 kWe generation, the GF-PEMFC system yields a good technicalperformance with 20 % electrical efficiency and 57 % thermal efficiency,whereas the AD-PEMFC system only has 9 % electrical efficiency and 13 %thermal efficiency. This low efficiency is due to the low efficiency of theanaerobic digester (AD) and the high internal heat consumption of the AD andthe steam reformer (SR). For the environmental aspects, the GF-PEMFC systemhas a high CO2 emissions offset factor and the AD-PEMFC system has anefficient land-use.The applications of the biomass-fuelled PEMFC systems are investigated on adairy farm and an olive oil plant. For the dairy farm, manure is used as feedstockto generate biogas through anaerobic digestion. A PEMFC qualified for 40 %electrical efficiency may generate 360 MWh electricity and 680 MWh heat peryear to make a dairy farm with 300 milked cows self-sufficient in a sustainableway. A PEMFC-CHP system designed for an olive oil plant generating annual 50000 m3 solid olive mill waste (SOMW) and 9 000 m3 olive mill waste water(OMW) is simulated based on experimental data from the Biogas2PEM-FCproject1. After the optimization of the heat exchanger network, the PEMFC-CHP  system can generate 194 kW electricity which corresponds to 62 % of the totalelectricity demand of the olive oil plant.The economic performance of the PEMFC and biogas-fuelled PEMFC areassessed roughly including capital, operation &amp; maintenance (O&amp;M) costs of thebiogas plant and the PEMFC-CHP, the cost of heat and electricity, and the valueof the digestate as fertilizer. / <p>QC 20151109</p>

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει αναγκαία με τη συνεχόμενη περιβαλλοντική ρύπανση και την αλόγιστη σπατάλη των φυσικών πόρων. Οι τεχνολογίες υδρογόνου και ειδικά η παραγωγή υδρογόνου μέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης έχει αρχίσει να κερδίζει σημαντικό έδαφος τα τελευταία χρόνια με τη συνεχιζόμενη ανακάλυψη νέων υλικών, αποδοτικών και με χαμηλό κόστος. Στην παρούσα εργασία θα αναλύσουμε την τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση καθώς και την παρασκευή υλικών με τη μέθοδο της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης διμεταλλικών και τριμεταλλικών λεπτών υμενίων μεταβατικών μετάλλων με βάση το Νικέλιο (Ni). Τα κράματα Νικελίου με προσθήκη άλλων μετάλλων όπως Fe, Co, Mo κ.α. έχουν τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των πολύ καλών ηλεκτροκαταλυτικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου, καθώς παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες και από την Πλατίνα(Pt), που αποτελεί το αποδοτικότερο αλλά και το ακριβότερο μέταλλο που έχει χρησιμοποιηθεί ως καταλύτης για παραγωγή υδρογόνου. Η τεχνολογία της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης λεπτών υμενίων προσφέρει υλικά πορώδη, αποδοτικά, φθηνά και ανθεκτικά σε συνθήκες έντονο αλκαλικού και όξινου περιβάλλοντος. Τα υλικά που παρασκευάσαμε ήταν NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn και NiMoZn. Κύριος στόχος της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν τη μορφολογία και τις ιδιότητες των λεπτών υμενίων. Αρχικά μελετήσαμε τα υμένια σε πραγματικές συνθήκες ηλεκτρόλυσης, μετρώντας την παραγωγή υδρογόνου για συγκεκριμένες πάντα συνθήκες. Στη συνέχεια έγιναν μετρήσεις υπερδυναμικού παραγωγής υδρογόνου και από τα δεδομένα αυτά και με τη βοήθεια των διαγραμμάτων Tafel υπολογίσαμε ηλεκτροκαταλυτικούς συντελεστές όπως η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής και η κλίση Tafel. Τέλος μετρήσεις σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και στοιχειακές αναλύσεις (EDX) μας έδωσαν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα για την επίδραση των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης στην μορφολογία της επιφάνειας των λεπτών υμενίων και των ιδιοτήτων τους. Μελετήσαμε τις ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες ενός νέου υλικού (NiCoFeZn), καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για την παραγωγή υδρογόνου και για το λόγο αυτό πρέπει να μελετηθεί εκτενέστερα, καθώς σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως ως μαγνητικό υλικό. / The continuous environmental pollution and the depletion of natural resources have brought forward the need for the development of new renewable energy technologies. Hydrogen technologies and especially electrolytic hydrogen production, has gained considerable ground in the recent years due to the discovery of new, efficient and low cost alloy compounds. In this work we analyze the electrolytic hydrogen production and the fabrication of electrodeposited binary and ternary Nickel-based thin film alloys. The addition of the Fe, Co, Mo transition metals in Nickel-based alloys is of great interest in terms of research, because of their great electrocatalytic properties and high hydrogen production. These alloys even surpass Platinum (Pt), which is the most efficient yet also one of the most expensive metal used as hydrogen production catalyst. The electrodeposition of thin film alloys, offers porous, inexpensive and resistive in basic and acidic environment, compounds. The alloys we fabricated were NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn and NiMoZn. Our main goal was to study the electrodeposition process conditions and the manner in which they affect the morphology and the properties of the thin film alloys. At first we studied the electrocatalytic properties of the thin film alloys during the electrolytic production process using the same conditions every time. The next step was to measure the hydrogen production overvoltage and the estimation of electrocatalytic constants such as the exchange current density and the Tafel slope using the Tafel diagrams. Finally SEM micrographs and EDX stoichiometry analysis gave more accurate results on the morphology and the electrocatalytic properties of the thin film alloys. We also studied the electrocatalytic properties of a new compound (NiCoFeZn), which is in fact a very promising compound for the electrolytic hydrogen production. Today the research around this material is mainly focused on its magnetic properties, so a thorough study of its catalytic properties would be of great importance.

Η φωτοκαταλυτική παραγωγή H2 μέσω διεργασιών φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης, μελετήθηκε με χρήση νανοκρυσταλλικών υμενίων TiO2 εμπλουτισμένων με εναποτεθειμένα μέταλλα στην επιφάνειά τους. Το TiO2 παρασκευάστηκε με τη μέθοδο sol-gel παρουσία οξικού οξέος και ενός επιφανειακώς δραστικού μορίου, του Triton X-100. Τα υμένια που παρασκευάστηκαν ήταν κρυσταλλικής μορφής ανατάση, με μέσο μέγεθος των σωματιδίων 12 nm, αρκετά σημαντικές υδροφιλικές ιδιότητες και υψηλή προσροφητική ικανότητα, ενώ είναι και πολύ ικανοί φωτοκαταλύτες για την αντίδραση διάσπασης των προσροφημένων χρωστικών στην επιφάνειά τους. Η μελέτη της αντίδρασης παραγωγής H2 πραγματοποιήθηκε με χρήση του φωτοκαταλύτη Pt/TiO2, αφού ο Pt αύξησε τη φωτοκαταλυτική ενεργότητα του υλικού και τη φωτοκαταλυτική απόδοση της αντίδρασης περισσότερο από τα υπόλοιπα μέταλλα. Οι βέλτιστες συνθήκες εναπόθεσης του Pt, ήταν η προσρόφησή του για 30 min από υδατικά διαλύματα Na2PtCl4 συγκέντρωσης 5*10-4 Μ και φωτοβόληση του υλικού για 15 min ώστε να πραγματοποιηθεί η αναγωγή. Η χρήση αυτού του φωτοκαταλύτη έδωσε σημαντικά αποτελέσματα φωτοκαταλυτικής αποικοδόμησης αλκοολών και άλλων προϊόντων βιομάζας σε υδατικά διαλύματα. Από τις ενώσεις που μελετήθηκαν, η χρήση της αιθανόλης και της γλυκερόλης οδήγησε στη μεγαλύτερη αύξηση του ρυθμού φωτοκαταλυτικής παραγωγής H2. Η αντίδραση της φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης πραγματοποιήθηκε κυρίως με χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας UVA (Black light, ~360 nm), παρουσία ενώσεων με γενικό χημικό τύπο CxHyOz. Κυριότερες κατηγορίες αυτών των ενώσεων είναι οι αλκοόλες, τα σάκχαρα, οι πολυόλες και τα οργανικά οξέα. Επίσης, τα φωτοκαταλυτικά υμένια Pt/TiO2 είναι ικανά να προκαλέσουν την φωτοκαταλυτική παραγωγή H2 μέσα από μικρογαλακτώματα διασποράς ελαίου σε νερό. Η συνολική διεργασία της φωτοκαταλυτικής αναμόρφωσης αποτελεί μια ιδιαίτερα ελκυστική διεργασία, η οποία πραγματοποιείται με αρκετά ικανοποιητική απόδοση, με την κατάλληλη χρήση του φωτοκαταλύτη Pt/TiO2, σε μορφή λεπτών υμενίων. / Nanocrystalline titanium dioxide films, with deposited noble metals on their surface were studied for the photocatalytic production of Η2, through the so-called “photocatalytic reforming” processes. These films were deposited on glass substrates by using sol-gel procedures, carried out in the presence of acetic acid and a surfactant template, Triton X-100. The titania films consist of anatase nanocrystals, of about 12 nm average particle size. They were highly hydrophilic and were strong adsorbers of positively charged organic substances. Photodegradation of adsorbed dyes was very efficient on these titania nanoparticulate films. Photocatalytic hydrogen production was studied by using nanocrystalline films of Pt/TiO2. Pt gave the best results concerning photocatalytic activity of titanium dioxide. The best conditions of platinum deposition, through its adsorption from aqueous solutions, were 30 min of adsorption in the dark from an aqueous solution of Na2PtCl4, having a concentration of 5*10-4 M, followed by the reduction of the adsorbed ions of Pt (II) by UV treatment. Using this type of photocatalyst lead to high efficiency of photodegradation of alcohols and generally products, derived from biomass in aqueous solutions. From all the compounds examined, ethanol and glycerol gave the highest photocatalytic hydrogen production rates. The photocatalytic reforming reaction, was carried out using UVA (black light, ~360 nm) radiation, that comes from low-energy black light sources and was applied on chemical compounds that have the general chemical structure of CxHyOz. Several categories of substances may have this structure, such as alcohols, saccharides, polyols and organic acids. Also, photocatalytic nanocrystalline films Pt/TiO2 led to substantially efficient process of hydrogen production, by using colloidal dispersions of oil-in-water microemulsion. The whole process of photocatalytic reforming of several substances can be a very attractive and very promising process, by employing nanocrystalline titania films, Pt/TiO2.

In this study SBA-15 mesoporous silica template was synthesized and used as a sacrificial template in the preparation of ordered mesoporous carbon material. A chemical vapour deposition (CVD) technique using LPG or alternatively sucrose, pyrolyzed upon a mesoporous Si matrix were used to produce nanostructured ordered mesoporous carbon (OMC) with graphitic character after removing the Si template. The sucrose method was found to be a suitable route for preparing OMC. The OMC was used as a conductive three dimensional porous support for depositing catalytic nanophase Pt metal. Deposition of Pt nanoparticles on OMC was accomplished using a CVD method with Pt(acac)2 as a precursor. The synthesized nano-composite materials were characterized by several techniques such as, HRTEM, HRSEM, EDS, XRD, BET, TGA, FT-IR and CV.

Materials and device concepts for renewable solar hydrogen production, and size dependent properties of ZnO quantum dots are the two main themes of this thesis. ZnO particles with diameters less than 10 nm, which are small enough for electronic quantum confinement, were synthesized by hydrolysis in alkaline zinc acetate solutions. Properties investigated include: the band gap - particle size relation, phonon quantum confinement, visible and UV-fluorescence as well as photocatalytic performance. In order to determine the absolute energetic position of the band edges and the position of trap levels involved in the visible fluorescence, methods based on combining linear sweep voltammetry and optical measurements were developed. The large band gap of ZnO prevents absorption of visible light, and in order to construct devices capable of utilizing a larger part of the solar spectrum, other materials were also investigated, like hematite , Fe2O3, and CIGS, CuIn1-xGaxSe2. The optical properties of hematite were investigated as a function of film thickness on films deposited by ALD. For films thinner than 20 nm, a blue shift was observed for both the absorption maximum, the indirect band gap as well as for the direct transitions. The probability for the indirect transition decreased substantially for thinner films due to a suppressed photon/phonon coupling. These effects decrease the visible absorption for films thin enough for effective charge transport in photocatalytic applications. CIGS was demonstrated to be a highly interesting material for solar hydrogen production. CIGS based photocathodes demonstrated high photocurrents for the hydrogen evolution half reaction. The electrode stability was problematic, but was solved by introducing a modular approach based on spatial separation of the basic functionalities in the device. To construct devices capable of driving the full reaction, the possibility to use cells interconnected in series as an alternative to tandem devices were investigated. A stable, monolithic device based on three CIGS cells interconnected in series, reaching beyond 10 % STH-efficiency, was finally demonstrated. With experimental support from the CIGS-devices, the entire process of solar hydrogen production was reviewed with respect to the underlying physical processes, with special focus on the similarities and differences between various device concepts.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η φωτοηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου και ηλεκτρικής ενέργειας με υβριδικές ανόργανες/οργανικές διατάξεις. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και υδρογόνου, με φωτοαποικοδόμηση οργανικών αποβλήτων σε μία φωτοηλεκτροχημική (ΦΗΧ) κυψελίδα είναι μία ελκυστική διεργασία με διπλό περιβαλλοντικό όφελος: Τα απόβλητα καταναλώνονται και η ηλιακή ακτινοβολία μετατρέπεται σε χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως η ηλεκτρική και το υδρογόνο. Οι κύριες συνιστώσες ενός φωτοηλεκτροχημικού κελιού είναι: (α) το ηλεκτρόδιο ανόδου, το οποίο φέρει τον φωτοκαταλύτη και ονομάζεται «φωτοάνοδος». Όταν ο φωτοκαταλύτης είναι ένας n-τύπου ημιαγωγός, η φωτοάνοδος παράγει ηλεκτρόνια, δηλαδή είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο και εκεί πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις οξείδωσης, (β) το ηλεκτρόδιο καθόδου, το οποίο φέρει τον ηλεκτροκαταλύτη, δηλαδή ένα υλικό το οποίο διευκολύνει την μεταφορά ηλεκτρονίων από την κάθοδο στην υγρή φάση. Αντιδράσεις αναγωγής πραγματοποιούνται στην κάθοδο, όπως για παράδειγμα, αναγωγή των ιόντων υδρογόνου σε μοριακό υδρογόνο, (γ) ο ηλεκτρολύτης, που προστίθεται προκειμένου να αυξηθεί η αγωγιμότητα και να ρυθμιστεί το pH του διαλύματος. Τα φωτόνια που προσπίπτουν στην κυψελίδα απορροφώνται από την φωτοάνοδο, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Οι οπές οξειδώνουν τις προς φωτοαποικοδόμηση ουσίες, απελευθερώνοντας ιόντα υδρογόνου τα οποία διαχέονται στην υγρή φάση. Τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται μέσω εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο, όπου και ανάγουν τα ιόντα υδρογόνου. Η παραγωγή υδρογόνου συνοδεύεται από τη ροή ηλεκτρονίων, δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα, στο εξωτερικό κύκλωμα. Το μοριακό υδρογόνο σχηματίζεται υπό αναερόβιες συνθήκες ενώ παρουσία οξυγόνου, οδηγείται στο σχηματισμό νερού. Η νανοκρυσταλλική τιτάνια (TiO2¬), είναι ένας από τους καταλληλότερους φωτοκαταλύτες που χρησιμοποιούνται για την ετερογενή φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση ρύπων. Ωστόσο το TiO2 αν και είναι ένας ικανός φωτοκαταλύτης με κατάλληλο ενεργειακό χάσμα, βαρύνεται με το μειονέκτημα της απορρόφησης μόνο υπεριώδους ακτινοβολίας και έτσι στην παρούσα μελέτη έχουν γίνει προσπάθειες φωτοευαισθητοποίησής του με ημιαγωγούς μικρότερου ενεργειακού χάσματος που απορροφούν στο ορατό τμήμα της ακτινοβολίας (π.χ. CdS). Η ορατή ακτινοβολία απορροφάται από τον φωτοευαισθητοποιητή, ο οποίος διεγείρεται και εφόσον το ενεργειακό επίπεδο του διεγερμένου ηλεκτρονίου είναι ηλεκτραρνητικότερο από τη στάθμη αγωγιμότητας του TiO2, μεταπηδά στο TiO¬2 και συμμετέχει στην φωτοηλεκτροχημική διαδικασία. Η οπή που διαχωρίζεται από το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, παραμένει στον φωτοευαισθητοποιητή και συμμετέχει σε αντιδράσεις οξείδωσης. Η ποιότητα και η αποτελεσματικότητα της καθόδου, παίζει εξίσου σπουδαίο ρόλο όπως και η απόδοση της ανόδου. Η κυψελίδα μπορεί να λειτουργήσει ακόμα και με ένα μεταλλικό σύρμα για κάθοδο. Όμως η απόδοση γίνεται κατά πολύ μεγαλύτερη όταν η κάθοδος έχει μεγάλη ενεργό επιφάνεια, πράγμα που αντανακλάται άμεσα στον συντελεστή πληρότητας (fill factor) της κυψελίδας. Βέλτιστη απόδοση της φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας έχει επιτευχθεί με τη χρήση ηλεκτροδίου Carbon Cloth εμπλουτισμένου με νανοσωματίδια Pt (0.5mg Pt/cm2). Η φωτοηλεκτροχημική διαδικασία παρουσία φωτοκαταλύτη απαιτεί τη δημιουργία φορέων φορτίου, συγκεκριμένα ιόντων, η συγκέντρωση των οποίων επηρεάζει την ιοντική αγωγιμότητα. Για την έκλυση μοριακού υδρογόνου είναι απαραίτητη η παραγωγή ιόντων υδρογόνου μέσω της αντίδρασης οξείδωσης. Επομένως χημικές ουσίες που απελευθερώνουν ιόντα υδρογόνου κατά τη φωτοκαταλυτική οξείδωση έχουν δώσει τη μεγαλύτερη παραγωγή υδρογόνου και ηλεκτρικής ενέργειας. Το υψηλό pH του ηλεκτρολύτη εκτός από την αύξηση της αγωγιμότητας είναι επίσης απαραίτητο για την φωτοαποικοδόμηση οργανικών ρύπων. Όταν η φωτοηλεκτροχημική διεργασία, πραγματοποιείται σε αλκαλικό περιβάλλον, οι μεγάλες συγκεντρώσεις ΟΗ- εξασφαλίζουν τη δέσμευση των φωτοπαραγόμενων οπών και τον επιτυχή διαχωρισμό τους από τα ηλεκτρόνια. Κυριότερες κατηγορίες αυτών των «θυσιαζόμενων» ενώσεων είναι οι αλκοόλες, τα σάκχαρα, οι πολυόλες και από τη δική μας μελέτη προκύπτει ότι συγκεκριμένα αιθανόλη και γλυκερόλη είναι οι πιο αποδοτικοί οργανικοί «ρύποι». / In the present study a detailed investigation has been carried out in an attempt to obtain photoelectrochemical hydrogen and electricity production by using hybrid organic- inorganic structures. Production of electricity and hydrogen by photocatalytic degradation of organic wastes in a photoelectrochemical (PEC) cell is an attractive project with double environmental benefit: waste material can be consumed and solar radiation can be converted into useful forms of energy, such as electricity and hydrogen. The main components of a PEC cell are: (a) the anode electrode, which carriers the photocatalyst and thus it is usually named “photoanode”. When the photocatalyst is an n-type semiconductor, the photoanode produces electrons, i.e. it is the negative electrode. Oxidation reactions take place at the photoanode, (b) the cathode electrode, which carries the electrocatalyst, i.e. a material which facilitates transfer of electrons from the cathode to the liquid phase. Reductive interactions take place at the cathode, for example reduction of hydrogen ions to molecular hydrogen, (c) the electrolyte, which is added in order to increase conductivity and define the pH. Photons are absorbed by the photoanode, generating electron-hole pairs. Holes oxidize the photodegradable substance, liberating hydrogen ions which diffuse in the liquid phase. Electrons are channeled through an external circuit towards the cathode, where they reduce hydrogen ions producing hydrogen molecules. This production of hydrogen is accompanied by flow of electrons, i.e. an electric current, in the external circuit. Hydrogen is detected in the absence of oxygen, otherwise in its presence, hydrogen is retained regenerating water. Nanocrystalline titania is the most successful photocatalyst for heterogeneous photocatalytic degradation of organic wastes. Even though, TiO2 is a capable catalyst with suitable energy band gap, it is burdened with the disadvantage of the absorption by only UVA light. Thus in the present study there have been efforts for its photo-activation through smaller energy band gap semiconductors that absorb in the visible part of solar spectrum, for example, CdS. CdS acts as titania sensitizer in the visible and at the same time prevents electron-hole recombination, since electrons are transferred to a separate nanoparticle. The quality and efficiency of the cathode plays an equally important role as the performance of the anode. The cell can operate even with a single metal wire being used as cathode. Nevertheless the performance is much higher when the cathode has a large active surface, a fact that is reflected on the fill factor of the cell. The optimal performance of the photo-electrochemical cell has been achieved using Carbon Cloth electrode, loaded with nanoparticles Pt (0.5mg Pt/cm2). The photoelectrochemical process, in the presence of a photocatalyst, requires the creation of charge carriers, more specifically ions, the concentration of which affects the ionic conductivity. For the release of the molecular hydrogen, the production of hydrogen ions is first necessary through the oxidation reaction. Thus chemical substances that release hydrogen ions during the photo-catalytic oxidation have yielded the greatest hydrogen and electricity production. In the presence of high OH− concentration, efficient hole scavenging and production of hydroxyl radicals is ensured. This is particularly important when an organic sacrificial agent is added, which is expected to be photodegraded during PEC cell operation. Major categories of these sacrificial agents are alcohols, sugars and polyols and our research shows that specifically ethanol and glycerol are the most efficient organic “wastes”.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Le but de ce travail était l’analyse de la capacité de carbure de silicium cubique à servir de matériau d’anode pour le fractionnement de l’eau photo-électrochimique direct. Les données récoltées (principalement la spectroscopie photo-électronique, électrochimie, Raman et spectroscopie UV-Vis) permettaient de ramener la faible efficacité de carbure de silicium cubique dopé n pour le dégagement d’oxygéne à des problèmes fondamentaux.Principalement le courant photoélectrique réalisable est limité par le flux des trous générés par photo à la surface de semi-conducteur. Comme carbure de silicium cubique est un semi-conducteur indirect, le faible coefficient d’absorption en combinaison avec une dotation élevée et une petite longueur de diffusion de trou ont été déterminés comme les facteurs limitant. Un film épitaxial additionnel de carbure de silicium n-cubique a entraîné une augmentation signifiante du courant photoélectrique maximal.La tension photoélectrique réalisable et les pertes dues aux recombinaisons dépendent principalement des propriétés de surface. L’utilisation des minces couches de catalyseur s’est révélé prometteur pour améliorer les deux propriétés même si cette technique a besoin d'optimisation parce que des états défectueux à l’interface limitent la tension photoélectrique. / The goal of this work was to investigate cubic silicon carbide as anode material for direct photoelectrochemical water splitting. From the performed measurements (mostly photoelectron spectroscopy, electrochemical measurements, Raman and UV-Vis spectroscopy) n-type cubic silicon carbide’s low oxygen evolution efficiency could be related to some fundamental problems.Primarily, the attainable photocurrent is limited by the flux of photo generated holes to the semiconductor surface. As cubic silicon carbide is a indirect semiconductor, the low absorption coefficient in combination with a high doping concentration and low hole diffusion length were determined as limiting factors. An additional epitaxial n- cubic silicon carbide film resulted in a significant improvement of the photocurrent.The obtainable photovoltage and recombination losses are mostly dependent on the surface properties. While a buried junction between the silicon carbide and a thin catalyst layer has proven to be promising for improving both properties, it still needs optimization, as Fermi level pinning from interface defect states drastically reduces the photovoltage.