Κατασκευή και χαρακτηρισμός ανθρακούχων ηλεκτροδίων ινών άνθρακα – πολυμερούς άνθρακα για εφαρμογές σε κελία καυσίμων - Τριγκάκη, Δανάη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ), 2016)
Τα κελία καυσίμου άμεσης οξείδωσης της αιθανόλης στηρίζονται στον τύπο κελίου καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίου, όπου το υδρογόνο καύσιμο (κελία καυσίμου υδρογόνου) αντικαθιστάται από μια αλκοόλη. Ο άνθρακας χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα για πολύτιμους μεταλλικούς καταλύτες και ο ενεργοποιημένος άνθρακας, η αιθάλη, ο γραφίτης και πολλά γραφιτοποιούμενα υλικά εφαρμόζονται σε πολλές καταλυτικές διεργασίες. Στη συγκεκριμένη Διπλωματική Εργασία επιδιώκεται η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός ανθρακούχων ηλεκτροδίων ινών άνθρακα – πολυμερούς άνθρακα (προερχομένου από ρητίνη φαινόλης φορμαλδεΰδης ή/και γεωργικού παραπροϊόντος) για εφαρμογές σε κελία καυσίμων, γεγονός που αποτελεί και την πρωτοτυπία της έρευνας. Αρχικά παρασκευάστηκε φαινολική ρητίνη μέσω σταδιακού πολυμερισμού πολυσυμπύκνωσης φαινόλης/φορμαλδεΰδης, είτε με περίσσεια φαινόλης και όξινο καταλύτη είτε με περίσσεια φορμαλδεΰδης και βασικό καταλύτη. Στην πρώτη περίπτωση το μοναδικό και απομονώσιμο προϊόν είναι η νεολάκη, ενώ στη δεύτερη περίπτωση το αρχικό θερμοπλαστικό προϊόν που παραλαμβάνεται είναι η ρεζόλη. Η τελευταία με περαιτέρω συμπύκνωση μετατρέπεται στο τελικό θερμοσκληρυμένο προϊόν ρεζίτη. Ακολούθησε η σκλήρυνση της νεολάκης, η οποία γίνεται με προσθήκη εξαμεθυλενοτετραμίνης (HEXA) σε αναλογία 7:2 και καλή ανάμειξη τους σε ύαλους ωρολογίου. Το προκύπτον μίγμα, αφού ομογενοποιήθηκε πολύ καλά τοποθετήθηκε σε μικρά κυλινδρικά καλούπια Teflon στο κέντρο των οποίων τοποθετείται ένα σύρμα (κράμα NiCr3020) περίπου 6 cm, προκειμένου το δοκίμιο να χρησιμοποιηθεί αργότερα ως ηλεκτρόδιο. Το υλικό μέσα στο καλούπι συμπιέστηκε με τη βοήθεια σιδερένιου κυλινδρικού πύρου στο κέντρο του οποίου υπάρχει μια πολύ μικρής διαμέτρου οπή από την οποία διέρχεται το σύρμα και οδηγήθηκε προς σκλήρυνση στο πυριαντήριο στους 170 oC για 50 min ή περισσότερο. Με την ίδια ακριβώς διαδικασία κατασκευάστηκαν δοκίμια σκληρυμένης νεολάκης με βιομάζα ελαιοπυρήνα σε δύο διαφορετικές αναλογίες, αναλογία ρητίνη/ελαιοπυρήνα 40:60, καθώς και σε αναλογία 80:20. Επίσης παρασκευάστηκαν δοκίμια σκληρυμένου ρεζίτη με συμπύκνωση της ρεζόλης στους 100 ºC. Όλα τα σκληρυμένα δοκίμια πυρολύθηκαν στους 1000 ºC με χρόνο παραμονής σε αυτή τη θερμοκρασία τα 30 min. Τα παραγόμενα ανθρακούχα υλικά χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια εργασίας σε ηλεκτροχημικό κελίο για ηλεκτροχημική τροποποίησή τους και απόθεση Pt από κατάλληλο διάλυμά του. Για συγκριτικούς σκοπούς μελετήθηκαν ανθρακούχα ηλεκτρόδια από γραφίτη, εμπορικό άνθρακα και ίνες άνθρακα. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόδια μελετήθηκαν ως προς την οξείδωση της αιθανόλης. Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός τους μέσω: (α) Περίθλασης Ακτίνων-Χ (XRD), (β) 8 Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης / Σύστημα Μικροανάλυσης (SEM / EDS), (γ) Φασματοσκοπία Υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourier (FTIR). Τέλος προσδιορίστηκε η επιφανειακή ηλεκτρική αγωγιμότητα όλων των ανθρακούχων δοκιμίων και συσχετίστηκε με το ποσοστό απόθεσης της πλατίνας στα ηλεκτρόδια αυτά. Από τα αποτελέσματα της ηλεκτροχημικής απόθεσης Pt παρατηρήθηκε ότι η ίνα άνθρακα και ο εμπορικός άνθρακας εμφανίζουν παρόμοια βολταμογραφήματα απόθεσης Pt με αυτά της πυρολυμένης νεολάκης και του ρεζίτη (ανθρακούχα μονολιθικά υλικά). Όσον αφορά στα βολταμογραφήματα οξείδωσης της αιθανόλης, η ίνα άνθρακα και ο εμπορικός άνθρακας έδωσαν ευδιάκριτες κορυφές οξείδωσης της αιθανόλης σε αντίθεση με τα μονολιθικά υλικά πολυμερούς άνθρακα, που φαίνεται να είναι επιρρεπή στην οξείδωση του άνθρακα της δομής τους. Τέλος το υψηλότερο ποσοστό απόθεσης Pt εμφάνισε ο εμπορικός άνθρακας με ποσοστό που κυμαίνεται σε 16 at.%. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην υψηλή τιμή της επιφανειακής ειδικής αγωγιμότητάς του που είναι κατά μία ή δύο τάξεις (σε μεμονωμένες περιπτώσεις) μεγαλύτερη από αυτή των αντίστοιχων εργαστηριακά παραγόμενων ηλεκτροδίων. Ακόμα, το εμπορικό ηλεκτρόδιο έχει λεία επιφάνεια, ενώ η διόγκωση της νεολάκης κατά τη σκλήρυνση δημιουργεί πορώδες το οποίο μετά την πυρόλυση αυξάνεται περισσότερο και ενδεχομένως να ελαττώνει την αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου ή να παρεμποδίζει την απόθεση Pt σε μεγάλο ποσοστό.