Μελέτη υλικών με φωτοκαταλυτικές ιδιότητες και ενεργειακές εφαρμογές

Abstract

In this thesis, the photo(electro)catalytic decomposition of organic and inorganic substances, which are either pollutants or byproducts of biomass was studied, with simultaneous production of hydrogen and electricity. The production of electricity and hydrogen, by the photodegradation of organic wastes in a photoelectrochemical cell is an attractive field of study with double environmental benefit, which is the waste degradation while simultaneously producing renewable energy.In particular, the photo(electro)catalytic degradation of some organic and inorganic substances has been studied. These substances are divided in two main categories: substances that are recognized pollutants of the aquatic environment and substances that are byproducts of biomass, which when accumulated could potentially cause environmental problems. Τhe following types of compounds were tested: nitrogen compounds such as urea, which is found in large amounts in human urine and its accumulation could cause environmental problems, drugs that are detected in wastewater and their presence in large quantities causes pollution, organic dyes which are widely used in industry and a part of them escapes in the environment causing a significant environmental problem, alcohols such as ethanol, which is a biomass product and is a model of sacrificial compounds, and finally saccharides which are found in large quantities in food industry wastes. Degradation of those substances was obtained in photoelectrochemical cells of various configurations in order to improve the photocatalytic activity. Thus, in the experiments of this thesis, the benefits of photoelectrocatalytic against the photocatalytic degradation were studied and a combination electrocatalytic degradation followed by photocatalysis to decompose azo-dyes was proposed. Moreover, the development of a novel electrode for hydrogen production which carries both the photocatalyst (TiO2) and the electrocatalyst (platinum nanoparticles dispersed on a conductive carbon paste) was prepared, highlighting simplicity of the device and some attractive results in the production of hydrogen. Also, an alternative TiO2 photoanode was synthesized by flame spray pyrolysis, a technology that produces titania nanoparticles with high specific surface, which increases active interface yielding higher photocurrent values. Finally, an alternative photocatalyst, hematite, was used to produce hydrogen by the degradation of sugars both in its original form and after doping with metallic impurities.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η φωτο(ηλεκτρο)καταλυτική διάσπαση οργανικών και ανόργανων ουσιών, που είτε συνιστούν ρύπους είτε είναι προϊόντα της βιομάζας, με ταυτόχρονη παραγωγή υδρογόνου και ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και υδρογόνου, με φωτοαποικοδόμηση οργανικών αποβλήτων σε ένα φωτοηλεκτροχημικό κελί αποτελεί μία ελκυστική διεργασία με διπλό περιβαλλοντικό όφελος δηλαδή, την αποικοδόμηση αποβλήτων με ταυτόχρονη παραγωγή χρήσιμων μορφών ενέργειας.Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η φωτο(ηλεκτρο)καταλυτική διάσπαση μιας σειράς οργανικών και ανόργανων ουσιών που χρησιμοποιήθηκαν ως θυσιαζόμενες ενώσεις. Οι ουσίες αυτές διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες: ουσίες που αποτελούν αναγνωρισμένους ρύπους του υδάτινου περιβάλλοντος και ουσίες που είναι παραπροϊόντα της βιομάζας που όταν συσσωρεύονται μπορούν, εν δυνάμει, να προκαλέσουν περιβαλλοντικό πρόβλημα. Οι κατηγορίες ενώσεων που μελετήθηκαν ήταν οι εξής: αζωτούχες ενώσεις όπως η ουρία που βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στα ούρα και η συσσώρευση της αποτελεί περιβαλλοντικό πρόβλημα, φαρμακευτικές ουσίες οι οποίες ανιχνεύονται σε υδάτινα λύματα και η παρουσία τους σε αυτά σε μεγάλες ποσότητες προκαλεί ρύπανση, χρωστικές ενώσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία και ένα μέρος τους διαφεύγει στο περιβάλλον προκαλώντας σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα, αλκοόλες όπως ή αιθανόλη, η οποία αποτελεί προϊόν βιομάζας και είναι πρότυπη θυσιαζόμενη ένωση, και τέλος σάκχαρα τα οποία βρίσκονται σε μεγάλες ποσότητες σε λύματα της βιομηχανίας τροφίμων. Η διάσπαση των ουσιών αυτών επετεύχθη σε φωτοηλεκτροχημικά κελιά διαφόρων διαμορφώσεων με σκοπό τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής δράσης. Έτσι, στα πειράματα της παρούσας διατριβής μελετήθηκαν τα οφέλη της φωτοηλεκτροκαταλυτικής έναντι της φωτοκαταλυτικής αποικοδόμησης και προτάθηκε ένας συνδυασμός ηλεκτροκαταλυτικής διάσπασης ακολουθούμενη από φωτοκατάλυση για τη διάσπαση αζω-χρωμάτων. Επίσης, αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο ηλεκτρόδιο για την παραγωγή υδρογόνου που φέρει τόσο τον φωτοκαταλύτη (TiO2) όσο και τον ηλεκτροκαταλύτη (νανοσωματίδια λευκόχρυσου διεσπαρμένα σε αγώγιμη ανθρακική πάστα) προφέροντας εκτός από την απλότητα της διάταξης και κάποια ελκυστικά αποτελέσματα όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου. Επιπλέον, μελετήθηκαν καινοτόμες φωτοάνοδοι TiO2 που συντέθηκαν με τη μέθοδο πυρόλυσης ψεκασμού φλόγας, μια τεχνολογία που παράγει νανοσωματίδια τιτάνιας με μεγάλη ειδική επιφάνεια, πράγμα που επιτρέπει στην τιτάνια να προσροφήσει μεγαλύτερες ποσότητες κβαντικών τελειών κατά την φωτοευαισθητοποίηση αποδίδοντας υψηλότερες τιμές φωτορεύματος και τελικής απόδοσης του κελιού. Τέλος, ένας εναλλακτικός φωτοκαταλύτης, ο αιματίτης, χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή υδρογόνου από τη διάσπαση σακχαρούχων ενώσεων τόσο στην αρχική του μορφή όσο και μετά από ενίσχυση με μεταλλικές προσμίξεις.