Σύνθεση κοκκωδών ανθράκων βασιζόμενων σε γεωργικά παραπροϊόντα για ηλεκτροχημικές εφαρμογές

Abstract

The scope of this doctoral thesis, is on the one hand the manufacture of carbonaceous materials based on composite materials which are consisted of agricultural by- products (olive stones biomass) and on the other hand their further use for electrochemical applications. Such carbonaceous materials are characterized as (poly) granular, heterogeneous materials. Taking into account from the beginning that the study of these kind of heterogeneous carbons will present difficulties for their characterization and evaluation, a typical monolithic carbon was chosen, i.e. (commercial) carbon fibres, which are used as received or after pyrolysis up to 1000 °C. Based on the study of carbon fibres, a) commercial and b) pyrolyzed, which are monolithic materials and c) carbonaceous materials which are (poly)granular, heterogeneous materials, the following results are summarized: From the examination of the materials behaviour as electrodes by cyclic voltammetry for the commercial carbon fibres, the pyrolyzed commercial carbon fibres and the carbonaceous materials, it is concluded that during the electrochemical deposition of platinum, by increasing the number of repetitive deposition cycles, more intense and distinguishable oxidation – reduction peaks are presented. The same is observed for the electrooxidation of ethanol. As long as the primary electrochemical pretreatment is concerned, it is more effective in the narrow potential sweep range and in the less intensive (mild) conditions of pretreatment. The results of the X-Ray Diffraction method and the elemental analysis are similar to the above results. Concerning the pyrolysis results, almost all carbonaceous materials were characterized as isotropic whereas the carbon fibres are monolithic, anisotropic materials. From the cyclic voltammetry results of the carbonaceous materials, their study by the X-Ray Diffraction method and the Scanning Electron Microscopy method, resulted that when the carbonaceous materials are examined as electrodes for the oxidation of ethanol, generally, the electrochemical pre-treatment of the materials improve their efficiency to oxidize the ethanol. The structure of the carbonaceous material plays an important role for the platinum deposition. Finally, from the study of the remaining ethanol by UV-Vis-spectroscopy is concluded that the electrodes derived from the carbon fibres and from the defined carbonaceous material examined, are effective for long time of oxidation.

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής, είναι η σύνθεση ανθρακούχων υλικών βασιζομένων σε σύνθετα υλικά που στη σύστασή τους περιέχουν γεωργικά παραπροϊόντα (βιόμαζα ελαιοπυρήνα) και η περαιτέρω χρησιμοποίησή τους για ηλεκτροχημικές εφαρμογές. Τέτοια ανθρακούχα υλικά χαρακτηρίζονται ως (πολυ)κοκκώδη, ετερογενή υλικά. Λαμβάνοντας εξ αρχής υπόψη ότι η μελέτη τέτοιων ετερογενών ανθράκων θα παρουσιάζει δυσκολίες για το χαρακτηρισμό και την αξιολόγησή τους, επιλέχθηκε και ένας τυπικός μονολιθικός άνθρακας, δηλαδή (εμπορικές) ίνες άνθρακα, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως έχουν ή μετά από πυρόλυσή τους, ώστε να απομακρυνθούν το επικαλυπτικό υλικό και οι υπάρχουσες επιφανειακές χημικές ομάδες τους. Μελετήθηκαν: α) εμπορικές ίνες άνθρακα και β) πυρολυμένες ίνες άνθρακα, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως μονολιθικά υλικά και γ) ανθρακούχα υλικά, τα οποία αποτελούν πολυκκοκώδη, ετερογενή υλικά. Όσον αφορά στα αποτελέσματα για τις εμπορικές, για τις πυρολυμένες ίνες άνθρακα και για τα ανθρακούχα υλικά, διαπιστώνεται ότι η απόθεση λευκόχρυσου είναι αποτελεσματικότερη με αύξηση των κύκλων απόθεσής του μέσω κυκλικής βολταμετρίας και αποτελεσματικότερη είναι και η οξείδωση της αιθανόλης. Διαπιστώθηκε επίσης τόσο για τις εμπορικές όσο και για τις πυρολυμένες ίνες άνθρακα, ότι οι ήπιες συνθήκες ηλεκτροχημικής προεπεξεργασίας, ενισχύουν περισσότερο την ηλεκτροχημική οξείδωση της αιθανόλης από ότι οι αντίστοιχες έντονες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της Ανάλυσης με περίθλαση ακτίνων Χ, συμφωνούν με τα αποτελέσματα της κυκλικής βολταμετρίας και επιβεβαιώνονται από τα αποτελέσματα της στοιχειακής ανάλυσης. Από τα αποτελέσματα της πυρόλυσης, σχεδόν όλα τα ανθρακούχα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως ισοτροπικά. Αντιθέτως οι ίνες άνθρακα είναι μονολιθικά ανισοτροπικά υλικά. Από τα αποτελέσματα της κυκλικής βολταμετρίας, της μελέτης με περίθλαση ακτίνων Χ και της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, προέκυψαν για τα ανθρακούχα υλικά τα εξής: Όταν τα ανθρακούχα υλικά εξετάζονται ως ηλεκτρόδια για την οξείδωση της αιθανόλης, γενικά η ηλεκτροχημική προεπεξεργασία των υλικών βελτιώνει την απόδοση των υλικών για την οξείδωση της αιθανόλης. Σημαντικό ρόλο για την απόθεση λευκόχρυσου παίζει η δομή του ανθρακούχου υλικού. Τέλος από τη μελέτη της εναπομένουσας αιθανόλης με τη φασματοσκοπία UV-Vis για τα ηλεκτρόδια, τόσο αυτά των ινών άνθρακα, όσο και του συγκεκριμένου ανθρακούχου υλικού που εξετάστηκε, προέκυψε ότι αυτά είναι αποτελεσματικά για την οξείδωση της αιθανόλης ακόμη και για μεγάλους χρόνους οξείδωσης.