Χαρακτηρισμός ανθρακοποιημένων μεμβρανών κοίλης ίνας ως ηλεκτρόδια πυκνωτών ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας

Κονιδάρης, Παναγιώτης

dc.contributor.author	Κονιδάρης, Παναγιώτης
dc.contributor.author
dc.date.accessioned	2020-06-05T09:25:04Z
dc.date.available	2020-06-05T09:25:04Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50763
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18461
dc.description
dc.description
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	ηλεκτροχημεία	el
dc.subject	υπερπυκνωτές	el
dc.subject	ηλεκτροχημική διπλοστοιβάδα	el
dc.subject	ανθρακοποιημένες μεμβράνες	el
dc.subject	ηλεκτροχημικοί χαρακτηρισμοί	el
dc.subject	electrochemistry	en
dc.subject	supercapacitors	el
dc.subject	electrochemical double layer	el
dc.subject	carbon hollow fiber	el
dc.subject	electrochemical characterization	el
dc.title	Χαρακτηρισμός ανθρακοποιημένων μεμβρανών κοίλης ίνας ως ηλεκτρόδια πυκνωτών ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας	el
dc.contributor.department	Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επιστήμη και τεχνολογία υλικών	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-10-16
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη ηλεκτροχημικών μεθόδων χαρακτηρισμού για πυκνωτές ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας. Οι πυκνωτές ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια εκ των οποίων το ένα λειτουργεί ως ανοδικό και το άλλο ως καθοδικό ηλεκτρόδιο και τα οποία είναι εμβαπτισμένα σε έναν ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια αυτά συνήθως αποτελούνται από άνθρακα εξαιτίας της μεγάλης ειδικής επιφάνειας που διαθέτει. Στην παρούσα διπλωματική ως ηλεκτρόδια εξετάστηκαν ανθρακοποιημένες μεμβράνες κοίλης ίνας (Hollow carbon fiber) οι οποίες είχαν προσμίξεις από νανοσωλήνες άνθρακα. Αρχικά εξετάστηκαν πέντε δείγματα τέτοιων μεμβρανών τα οποία είχαν προσμίξεις νανοσωλήνων άνθρακα σε συγκεντρώσεις 0%, 2%, 4% και δύο δείγματα των 8% και τα οποία ονομάζονται S1, C1, C2 αντίστοιχα και τα δύο τελευταία C3. Όλα τα δείγματα μελετήθηκαν ως προς τα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά με την βοήθεια του οργάνου SEM όπου παρατηρήθηκαν οι προσμίξεις των νανοσωλήνων και βάσει των εικόνων αυτών υπολογίστηκε η αγωγιμότητά τους. Στην συνέχεια ακολούθησαν ηλεκτροχημικοί μέθοδοι χαρακτηρισμού με πειράματα κυκλικής βολταμμετρίας, γαλβανοστατικής φόρτισης-εκφόρτισης και ηλεκτροχημικής εμπέδησης για κάθε ένα χωριστά από τα δείγματα. Οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι χαρακτηρισμού έγιναν σε κελί τριών ηλεκτροδίων (ηλεκτροδίου εργασίας, ηλεκτροδίου αναφοράς και αντίθετου ηλεκτροδίου) στο οποίο ως ηλεκτρόδια εργασίας χρησιμοποιούνταν τα παραπάνω δείγματα. Όλα τα δείγματα εμβαπτίστηκαν σε ηλεκτρολύτη θειϊκού οξέος (H2SO4) συγκέντρωσης C=1M, εκτός από το ένα από τα δύο δείγματα C3 το οποίο εμβαπτίστηκε σε ηλεκτρολύτη θειικού νατρίου (Na2SO4) συγκέντρωσης επίσης 1Μ. Με τις παραπάνω μεθόδους χαρακτηρισμού εντοπίστηκαν τα παράθυρα δυναμικού στα οποία τα δείγματα λειτουργούν ως θετικά και ως αρνητικά ηλεκτρόδια και αναπτύχθηκε μέθοδος υπολογισμού της χωρητικότητας των δειγμάτων και κατόπιν της ενέργειας και της ισχύος που μπορούν να αποδώσουν. Επίσης επιχειρήθηκε να διαβραχεί το εσωτερικό της ίνας με τον ηλεκτρολύτη ασκώντας πίεση υπό κενό, ωστόσο ακόμα και σε πίεση 100 bar κατέστη αδύνατο πράγμα που κατέδειξε την υδροφοβικότητα των ινών. Τέλος επιχειρήθηκε να τροποποιηθεί μια ίνα εκ της οικογένειας των C3 ώστε να καταστεί υδρόφιλη. Μετά την κατεργασία αποπειράθηκε να διαβραχεί και πάλι η ίνα με ηλεκτρολύτη θειικού οξέος υπό πίεση. Το αποτέλεσμα ήταν η ίνα να διαβραχεί παντελώς όταν η πίεση έφτασε τα 20 bar πράγμα που κατέδειξε την υδροφιλικότητά της. Ακολουθήθηκε και πάλι ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός με τις τρεις μεθόδους σε κελί τριών ηλεκτροδίων σε ηλεκτρολύτη θειϊκού οξέος (H2SO4) συγκέντρωσης C=1M, όπου εντοπίστηκαν τα παράθυρα δυναμικού ώστε να λειτουργήσει ως θετικό και ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, ενώ παράλληλα υπολογίστηκε και πάλι η χωρητικότητα η ενέργεια και η ισχύς που μπορεί να αποδώσει. Το κύριο συμπέρασμα που βγήκε ήταν ότι οι ίνες αυτές παρότι έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια δεν μπορούν να την αξιοποιήσουν εξαιτίας της υδροφοβικότητάς τους και για αυτόν τον λόγο δίνουν μικρές τιμές χωρητικότητας ωστόσο μετά την κατεργασία της υδροφιλίωσης η χωρητικότητα, η ενέργεια και η ισχύς αυξάνονται ραγδαία.	el
heal.abstract	The subject of this thesis was the development of characterization methods for electrochemical double layer capacitors (EDLCs). The EDLCs consist of two electrodes, one of them acts as an anode and the other as a cathode electrode and they are both immersed in an electrolyte. These electrodes usually consist of carbon due to their large specific surface area. In the present thesis hollow carbon fibers with impurities of carbon nanotubes were examined as electrodes. Initially five samples of such membranes which had carbon nanotube impurities at concentrations of 0%, 2%, 4% and two samples of 8% were named S1, C1, C2 respectively and the last two C3 respectively. All samples were studied for their morphological characteristics using SEM instrument where the nanotube impurities were observed and their conductivity was calculated based on these images. Electrochemical characterization methods were then followed by experiments with cycle voltammetry, galvanostatic charge-discharge and electrochemical impedance for each of the samples separately. The electrochemical characterization methods were performed on a cell of three electrodes (working electrode, reference electrode and counter electrode) in which the above samples were used as working electrodes. All samples were immersed in C = 1M sulfuric acid (H2SO4) electrolyte, except for one of the two C3 samples which was immersed in sodium sulfate (Na2SO4) electrolyte also 1M. The above characterization methods identified the potential windows in which the samples act as positive and negative electrodes and was developed a method for calculating the capacitance of the samples and then the energy and power they can deliver. It was also attempted to wet the inside of the fiber with the electrolyte under vacuum pressure, but even at 100 bar pressure it became impossible which demonstrated the hydrophobicity of the fibers. Finally it was attempted to modify a sample of the family C3 fibers to make it hydrophilic. After treatment, the fiber was again attempted to be wetted with sulfuric acid electrolyte under pressure. The result was that the fiber was completely wetted when the pressure reached 20 bar, which showed its hydrophilicity. Electrochemical characterization was again followed by the three methods in a three-electrode cell at a concentration C = 1M of sulfuric acid (H2SO4), where the potential windows were identified and the capacitance, the energy and the power that can provide were measured. The main conclusion that has been made was that although these fibers have a large specific surface area they cannot be exploited due to their hydrophobicity and therefore capacitance values that provide are low but after hydrophilic treatment the capacity, energy and the power are increased rapidly.	en
heal.advisorName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα
heal.committeeMemberName	Κυρίτσης, Απόστολος
heal.committeeMemberName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false