Υπολογιστική και πειραματική μελέτη πορωδών
ηλεκτροδίων για καταλυτικές και ενεργειακές εφαρμογές.

Διακολαμπριανού, Μαριέττα; Diakolamprianou, Marietta

dc.contributor.author	Διακολαμπριανού, Μαριέττα	el
dc.contributor.author	Diakolamprianou, Marietta	en
dc.date.accessioned	2022-10-26T11:15:14Z
dc.date.available	2022-10-26T11:15:14Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56014
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23712
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	Ηλεκτρόδια	el
dc.subject	Πορώδη	el
dc.subject	Εσωτερική επιφάνεια	el
dc.subject	Ενέργεια	el
dc.subject	electrodes	en
dc.subject	porosity	en
dc.subject	electrochemistry	en
dc.subject	internal surface	en
dc.subject	energy	el
dc.title	Υπολογιστική και πειραματική μελέτη πορωδών ηλεκτροδίων για καταλυτικές και ενεργειακές εφαρμογές.	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλεκτροχημεία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07
heal.abstract	Στο παρακάτω κείμενο θα γίνει μια εκτεταμένη μελέτη των πορωδών ηλεκτροδίων. Τα ηλεκρόδια αυτά αποτελούν έναν ειδικό κλάδο των ηλεκτροδίων και είναι ιδιαίτερα χρήσιμα όχι μόνο σε ενεργειακές αλλά και σε καταλυτικές εφαρμογές. Το ξεχωριστό τους πλεονέκτημα έναντι των συμβατικών ηλεκτροδίων έγκειται στην αυξημένη ειδική εσωτερική επιφάνεια που προσφέρουν, αυξάνοντας έτσι και την ενεργειακή τους πυκνότητα. Τα πορώδη ηλεκτρόδια μελετήθηκαν με βάση την μακροσκοπική προσέγγιση του J. Newman. Αυτό σημαίνει ότι με άγνωστη την ακριβη μορφολογία και μικροδομή των πόρων στο εσωτερικό τους έγινε ανάλυση διαφόρων ηλεκτροχημικών φαινομένων. Γι’ αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκαν μόνο εύκολα μετρούμενα μακροσκοπικά μεγέθη, όπως το πορώδες, η ειδική εσωτερική επιφάνεια ή το μήκος του ηλεκτροδίου. Αρχικά, η θεωρία του J. Newman αναπτύχθηκε αναλυτικότερα με σκοπό να αποσαφηνιστούν οι έννοιες που αναφέρονται και να είναι πιο κατανοητή η μεθοδολογία που ακολουθείται. Για την ορθή έκφραση αυτού του μακροσκοπικού μοντέλου και την εγκυρότητα της εφαρμογής του ορίζονται κάποιες μέσες τιμές για βασικές μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στο σύστημα. Μέσες τιμές ορίζονται για τις συγκεντρώσεις και τις ροές των χημικών ειδών αλλά και για την πυκνότητα ρεύματος. Έτσι, τα μεγέθη αυτά αντί να αναφέρονται σε ένα πολύ συγκεκριμένο χώρο μέσα στο ηλεκτρόδιο, με την έκφραση τους στη μορφή των μέσων τιμών, αναφέρονται στο σύνολο του ηλεκτροδίου. Στη συνέχεια, επαληθεύτηκε η μακροσκοπική θεωρία και η χρήση των μέσων τιμών αναλυτικά αλλά και υπολογιστικά με τη χρήση του προγράμματος του COMSOL. Γενικά, μελετώνται δύο περιπτώσεις κατανομής του ηλεκτρικού ρεύματος. Η πρώτη περίπτωση αφορά στην δευτεροταγή κατανομή, στην οποία όσον αφορά τη ροή των χημικών ειδών λαμβάνεται υπόψη μόνο το φαινομένο της ηλεκτρομεταφοράς, αγνοώντας το φαινόμενο της διάχυσης. Εξετάστηκε η περίπτωση γραμμικής κινητικής αλλά και κινητικής αντίδρασης Tafel και έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων από την αναλυτική λύση και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων του προγράμματος. Αφού αποδείχθηκε ότι τα αναλυτικά και τα υπολογιστικά σημεία ταυτίζονται, προέκυψε το συμπέρασμα ότι η μακροσκοπική θεωρία περιγραφής του πορώδους ηλεκτροδίου μπορεί να εφαρμοστεί με αξιοπιστία χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα του COMSOL. Ως αποτέλεσμα, για την περίπτωση της τριτοταγούς κατανομής του ηλεκτρικού ρεύματος, όπου η αναλυτική επίλυση είναι ιδιαίτερα χρονοβόρα και σύνθετη, το σύστημα μελετάται μόνο υπολογιστικά, με την μοντελοποίηση του με το πρόγραμμα του COMSOL. Σε αυτήν τη φάση, εξετάζεται η επίδραση της ειδικής εσωτερικής επιφάνειας, του πορώδους αλλά και του μήκους του ηλεκτροδίου στην ηλεκτροχημική απόκριση του συστήματος. Η επίδραση του κάθε μεγέθους εξετάστηκε μεμονομένα από τα υπόλοιπα. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η μεταβολή στην συγκέντρωση του αντιδρώντος αλλά και στην πυκνότητα ρεύματος ανά μονάδα όγκου λόγω αντίδρασης. Το τελευταίο μέγεθος εκφράζει το ρυθμό της αντίδρασης. Η παραπάνω μελέτη έγινε για επιβολή σταθερής τιμής ρεύματος (γαλβανοστατική λειτουργία) αλλά και για επιβολή σταθερής τάσης στο σύστημα (ποτενσιοστατική λειτουργία). Γαλβανοστατικά, για αυξανόμενη ειδική εσωτερική επιφάνεια η κατανάλωση αντιδρώντος μειώνεται ενώ ο ρυθμός της αντίδρασης αποκτάει μια όλο και αυξανόμενη τιμή στο ένα άκρο του ηλεκτροδίου και στη συνέχεια σταθεροποιείται φτάνοντας σε ένα πλατό. Για αυξανόμενο πορώδες αλλά και μήκος ηλεκτροδίου, τόσο η κατανάλωση του αντιδρώντος όσο και ο ρυθμός της αντίδρασης συνεχώς μειώνονται. Όσον αφορά την ποτενσιοστατική μελέτη, για αυξανόμενη ειδική εσωτερική επιφάνεια αυτή τη φορα η κατανάλωση αντιδρώντος αλλά και ο ρυθμός της αντίδρασης αυξάνονται σημαντικά. Με αύξηση στο πορώδες δεν παρατηρούνται ιδιαίτερες διαφορές με μόνο σημείο που αξίζει να αναφερθεί μια μικρή μείωση στο ρυθμό της αντίδρασης. Όπως και στην περίπτωση της γαλβανοστατικής λειτουργίας, για αυξανόμενο μήκος ηλεκτροδίου η κατανάλωση αντιδρώντος είναι μικρότερη, με τον ρυθμό της αντίδρασης επίσης να μειώνεται. Τα συμπεράσματα που εξάγονται είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για την εύκολη και γρήγορη αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας ενός ηλεκτροχημικού συστήματος που περιέχει πορώδες ηλεκτρόδιο με απλές μετρήσεις βασικών μεγεθών όπως η πυκνότητα ρεύματος. Τέλος, σχεδιάζεται μια πειραματική διάταξη ενός μικρού αντιδραστήρα με ένα πορώδες ηλεκτρόδιο στο εσωτερικό του για την μελέτη του ηλεκτροχημικού συστήματος. Το σύστημα αυτό συνδέθηκε με γεννήτρια και μελετήθηκε γαλβανοστατικά με την εφαρμογή σταθερής τιμής ρεύματος. Επίσης, το ηλεκτρόδιο συνδέθηκε με πολυκάναλο καταγραφέα (Data Logger) για την μέτρηση και καταγραφή των τιμών του δυναμικού σε διάφορα σημεία μέσα στο ηλεκτρόδιο, σε ένα σημείο στο διάλυμα αλλά και στα άκρα του συστήματος. Αυτό που προέκυψε ήταν η καταγραφή διαφορετικών τιμών του δυναμικού σε διαφορετικά σημεία στο εσωτερικό του ηλεκτροδίου. Αυτό υποδηλώνει ότι παρατηρείται μια επιθυμητή και αναμενόμενη κατανομή μέσα στο ηλεκτρόδιο. Για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων μοντελοποιήθηκε μια προσομοίωση του πειράματος στις ίδιες συνθήκες στο πρόγραμμα του COMSOL. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τα υπολογιστικά και παρατηρήθηκε πολύ καλή ποιοτική αντιστοιχία στις τιμές της πτώσης του δυναμικού στο ηλεκτρόδιο.	el
heal.advisorName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Ταραντίλη, Πετρούλα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false