Παραγωγή υδρογόνου | Hydrogen production | Διάσπαση του νερού | Water splitting | Φωτοκατάλυση | Photocatalysis | Ενέργεια χάσματος | Band gap | Διοξείδιο του τιτανίου | Titanium dioxide | Ετεροσύνδεση σχήματος-Ζ | Z-scheme heterojunction
1
8
74
Περιέχει φωτογραφίες, σχήματα και πίνακες.
Καταλυτική Παραγωγή Καυσίμων Φιλικών προς το Περιβάλλον / Ιάκωβος Βασσάλος..[κ.ά.]
Η κλιματική αλλαγή δεν αποτελεί ένα υποθετικό ή μελλοντικό σενάριο. Αντιθέτως, οι συνέπειες της επηρεάζουν τον πλανήτη μας και τους οργανισμούς που ζουν σε αυτόν, όλο και πιο συχνά. Επομένως, για να επιτύχουμε μια πιο βιώσιμη ανάπτυξη είναι επιτακτική η ανάγκη αντικατάστασης των ορυκτών καυσίμων από ήπιες μορφές ενέργειας. Το υδρογόνο (H2) μπορεί να αποτελέσει την ιδανική λύση στο πρόβλημα της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, αφού έχει ως βασικά πλεονεκτήματα το πολύ μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα μάζας και κυρίως την απουσία ρύπων κατά την καύση του. Καθιερωμένες μέθοδοι παρασκευής υδρογόνου αποτελούν η αναμόρφωση του φυσικού αερίου και η ηλεκτρολυτική διάσπαση του νερού. Όμως, η πρώτη έχει μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις και παράγει αέρια του θερμοκηπίου, ενώ η δεύτερη μειονεκτεί ως προς το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας. Tα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της φωτοκαταλυτικής διάσπασης του νερού. Σε αυτή τη διεργασία, η ακτινοβόληση ενός ημιαγωγού-φωτοκαταλύτη δημιουργεί ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, τα οποία συμμετέχουν σε οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις με τελικό αποτέλεσμα τη διάσπαση του νερού. Οι περισσότερες σχετικές μελέτες αφορούν το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2), ένα υλικό που έχει χαρακτηρισθεί ως ένας πολύ αποτελεσματικός φωτοκαταλύτης. Σε αυτή τη μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά οι ημιαγωγοί-φωτοκαταλύτες, ο μηχανισμός της φωτοκατάλυσης, οι παράγοντες που επηρεάζουν τη δραστικότητα και οι φωτοαντιδραστήρες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού. Επίσης, δίνεται έμφαση σε τεχνικές ενίσχυσης των φωτοκαταλυτών, όπως η ευαισθητοποίηση με χρωστικές ουσίες, η προσθήκη μετάλλου, η ετεροσύνδεση σχήματος-Ζ και η προσθήκη «θυσιαζόμενων» ενώσεων. Αυτές οι τεχνικές αποσκοπούν αφενός στη βελτίωση της απόκρισης των φωτοκαταλυτών στο ορατό φως, αφετέρου στην αύξηση της απόδοσης για την παραγωγή υδρογόνου. Η τελευταία παραμένει σε χαμηλά επίπεδα προς το παρόν, γεγονός που αποτελεί το βασικό μειονέκτημα της διεργασίας. Αναμένεται ότι οι συνεχείς ερευνητικές προσπάθειες θα οδηγήσουν σε υπέρβαση των εμποδίων, ώστε μελλοντικά η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού να καθιερωθεί ως μια αποτελεσματική, περιβαλλοντικά φιλική και χαμηλού κόστους διεργασία παραγωγής υδρογόνου.
Climate change is not a hypothetical or future scenario. On the contrary, its consequences
affect our planet and the organisms that live on it, more and more often. Therefore, in order to achieve a more sustainable development, the need to replace fossil fuels with environmentally friendly sources of energy is imperative. Hydrogen (H2) might be the ideal solution to the problem of environmental degradation, as its main advantages are the very high specific energy and especially the absence of pollutants during combustion. The reforming of natural gas and the electrolytic decomposition of water are the standard methods for the production of hydrogen. However, the former has high energy demands and produces greenhouse gases, while the latter has the disadvantage of high electricity costs. In recent years there has been great research interest in the production of hydrogen through the photocatalytic splitting of water. In this process, irradiation of a photocatalyst-semiconductor generates electron-hole pairs, which participate in redox reactions, resulting in the splitting of water. Most relative studies are on titanium dioxide (TiO2), a material that has been described as a very effective photocatalyst. This postgraduate thesis presents in detail the semiconductors-photocatalysts, the mechanism of photocatalysis, the factors that affect the photocatalytic activity and the photoreactors that can be used for photocatalytic splitting of water. Emphasis has also been placed on photocatalyst enhancement techniques, such as dye sensitization, metal dopping, Z-scheme heterojunction construction and the addition of «sacrificial» reagents. These techniques aim, on the one hand, to improve the response of photocatalysts to visible light and on the other hand, to increase the efficiency of hydrogen production. The latter remains low at present, which is the main drawback of the process. It is anticipated that the continuous research efforts in this field will lead to overcoming the obstacles, so that in the future the photocatalytic splitting of water will be established as an efficient, environmentally friendly and low-cost method for producing hydrogen.
Παραγωγή υδρογόνου με φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού