Hχο-ηλεκτροχημική σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων χρυσού για τη βελτιστοποίηση καταλυτικών ιδιοτήτων υλικών ανόδου κελιών καύσης στερεού οξειδίου

Abstract

Στόχος αυτής της έρευνας είναι η παρασκευή ενός σταθερού υδατικού αιωρήματος χρυσών νανοσωματιδίων μέσω μίας υπερηχοηλεκτροχημικής μεθόδου. Τα αποκτιθέμενα νανοσωματίδια θα χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας και της αποδοτικότητας κελιών καύσης στερεού οξειδίου (SOFCs), προστατεύοντας από φαινόμενα αποσάρθρωσης προκαλούμενα από την ύπαρξη άνθρακα και θείου στα συστατικά της τροφοδοσίας. Στη διπλωματική αυτή εργασία, τα πειράματα διεξήχθησαν υπό ποτενσιοστατικές συνθήκες. Δύο προσεγγίσεις μελετήθηκαν. Στην πρώτη ένας παλμός δυναμικού, παράγονταν σε ένα συνεχώς ηχοβολούμενο ηλεκτρόδιο. Η βιβλιογραφία ως τώρα αναφέρει, ότι η θεμελιώδης βάση της παλμικής ηχοηλεκτροχημικής τεχνικής αποτελεί η πυκνότητα της μάζας πυρήνωσης των μεταλλικών νανοσωματιδίων στην επιφάνεια του ηχοδίου και για το λόγο αυτό δοκιμάστηκαν διαφορετικοί παλμοί εναπόθεσης. Στη δεύτερη προσέγγιση μελετήθηκε μία διαδικασία συνεχούς ηλεκτροαπόθεσης, υπό συνεχή ηχοβόληση. Το πλάτος των υπερήχων ήταν σταθερό. Σαν σταθεροποιητής χρησιμοποιήθηκε το PVP, ένα υδατοδιαλυτό και οικονομικό μακρομόριο, με υψηλή ικανότητα σταθεροποίησης για την αποφυγή της δημιουργίας συσσωμάτων. Ο σχηματισμός και το μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρεάζεται από παραμέτρους, όπως η πυκνότητα ρεύματος και η διάρκεια του παλμού του ρεύματος των υπερήχων. Η βελτιστοποίηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων, επιτεύχθηκε μεταβάλλοντας τις παραμέτρους αυτές σε ποτενσιοστατικές συνθήκες. Νανοσωματίδια μεγέθους κάτω από 50 nm , επιτεύχθηκαν και χαρακτηρίστηκαν με DLS και TEM.

The aim of this research is the preparation of a stable water suspension of gold nanoparticles, by an ultrasound assisted electrochemical process. The obtained nanoparticles are going to be used to improve durability and efficiency of SOFC anode cermets against degradation phenomena arising from carbon and sulfur containing compounds in the feed. In the last decades nanostructured materials have broad applications in the fields of catalysis(especially SOFCs), as well as semiconductors, cosmetics and pharmaceutical products, coatings, polishing. Nanosized noble metals present novel physicochemical properties, which differ significally from macroscopic metal phases and so their potential applications. The design and preparation of novel nanomaterias with tunable physical and chemical properties, as a result of the large surface to volume ratio of the nanoparticles, has received extremely intention. Many synthetic methods have been reported to prepare nanoparticles, but only few of them are versatile enough to tune the nanoparticle size in a range of several tens of nanometers while preserving monodispersity of particle size distribution. Electrodeposition process combined with high intensity ultrasound pulses has been proposed for the synthesis of large amount of nanoclusters with narrow distribution. This technique allows intensive control of the size and composition of the particles over a wide range. Also there is a variety of parameters that are controllable in order to tune the nanoparticles characteristics. Aqil et al. reported a pulsed sonoelectrochemical method process for preparation of gold nanoparticles where the current pulse was followed from an ultrasound pulse. Water soluble macroligans, α,ω-dihydroxy-ω-poly(ethylene oxide)MPEO-SH) and α,ω-dihydroxy poly(ethylene oxide)disulfide (PEO disulfide) were also added. Q.Shen et al. reported a pulsed soloelctrochemical method for the synthesis of stabilize-free gold nanoparticles. Yu-Chuan Liu et al. reported an electrochemical ORC roughening procedure followed, by a stabilize-free sonoelectrochemical reduction to obtain gold nanoparticles. In this research, the experiments were carried out under potentiostatic conditions. Two approaches were tried. In the first one a potential pulse was produced, on a continuously sonicated sonotrode. Literature until now presents that the fundamental basis of the pulsed sonoelectrochemical technique for the production of nanoparticles is massive nucleation density of metal nuclei on the sonoelectrode surface, so the deposition time was tuned. In the second approach a procedure of continuous electrodeposition under continuous sonication on the sonotrode’s surface was attempted. The U/S amplitude and the potential were stable. PVP was added, an affordable, water soluble with high stability capping agent, used as received. That way the gold nanoparticles produced, are protected against aggregation. Formation and the size of the nanoparticles are affected by parameters like current density, current pulse and ultrasonic pulse duration. The optimization of the size of the metal nanoparticles and of the efficiency of the sonoelectrochemical procedure was succeeding by varying these parameters in potentiostatic conditions. Nanoparticles less than 50 nm were succeded and characterized by DLS and TEM.