| Περίληψη |
Η συνεχής αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, καθώς και η αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για την παραγωγή καυσίμων. Το υδρογόνο είναι ένα από τα ιδανικότερα καύσιμα για την παραγωγή ενέργειας, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, αλλά δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση αν και αποτελεί το 90% των ατόμων του σύμπαντος.
Η διάσπαση του νερού είναι μια από τις διεργασίες παραλαβής καθαρού υδρογόνου από μία άφθονη φυσική πηγή και μπορεί να πραγματοποιηθεί με αρκετούς τρόπους. Ένας από τους αποδοτικότερους είναι η ηλεκτρόλυση του, με μία φωτοηλεκτροκαταλυτική κυψελίδα όπου η ηλιακή ακτινοβολία, μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας μετατρέπεται σε χρήσιμες μορφές ενέργειας, όπως η ηλεκτρική και το υδρογόνο.
Μια φωτοηλεκτροκαταλυτική κυψελίδα αποτελείται από δυο ηλεκτρόδια, όπου το ένα ή και τα δύο είναι ημιαγώγιμα υλικά. Οι ημιαγωγοί μπορούν να διεγερθούν με τη χρήση φωτός και να προσφέρουν ηλεκτρόνια που θα χρησιμοποιηθούν στην οξειδοαναγωγική αντίδραση διάσπασης του νερού και παραγωγής υδρογόνου. Για να είναι αποδοτική αυτή η διαδικασία, οι ημιαγωγοί που απαρτίζουν την κυψελίδα επιλέγονται με διάφορα κριτήρια όπως είναι οι ενεργειακές θέσεις των στοιβάδων σθένους και αγωγιμότητας τους, καθώς και η αντοχή τους σε περιβάλλον έντονων οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων.
Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετάται ο συνδυασμός των ιδιοτήτων των ημιαγωγών με τη θεωρία της Ηλεκτροστατικής. Σύμφωνα με αυτήν, η ύπαρξη δομών κωνικού σχήματος αυξάνει την πυκνότητα του φορτίου στις κορυφές τους. Άρα στη διεπιφάνεια μεταξύ νερού και ενός ημιαγωγού, στον οποίο έχουν αναπτυχτεί δομές τέτοιου τύπου, θα υπάρχει συσσώρευση του φορτίου και ένα ηλεκτρόνιο θα μπορεί να μεταφερθεί ευκολότερα απ' ότι σ' έναν αντίστοιχο επίπεδο ημιαγωγό. Για τη μελέτη αυτή επιλέχθηκαν να χρησιμοποιηθούν ως ημιαγώγιμα υλικά το Πυρίτιο (Si), μιας και αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο και ευρύτατα χρησιμοποιημένο ημιαγωγό, καθώς και το Νιτρίδιο του Γαλλίου (GaN) λόγω της μεγάλης σταθερότητας που εμφανίζει σε χημικά δραστικό περιβάλλον. Στην επιφάνεια τους δημιουργήθηκαν νανοδομές με διαδικασία χημικής εγχάραξης και στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν ηλεκτροχημικά με τη χρήση της Κυκλικής Βολταμμετρίας σε ειδικό κελί που κατασκευάστηκε.
Τέλος τα αποτελέσματα των πειραμάτων ενισχύουν την αρχική θεώρηση, αφού παρατηρήθηκε ότι οι νανοδομές που δημιουργήθηκαν συντέλεσαν καταλυτικά στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης και μείωσαν αρκετά το απαιτούμενο δυναμικό που πρέπει να εφαρμοστεί για την έναρξη της διάσπασης του νερού. Ωστόσο το Si κρίνεται ακατάλληλο για χρήση σε τέτοιου είδους διαδικασίες γιατί είναι ασταθές και η επιφάνεια του διαβρώνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενώ το GaN μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο εργασίας σε συστήματα διάσπασης νερού, φιλικά προς το περιβάλλον και ταυτόχρονα με ελάχιστο κόστος.
|
Νανοδομημένα ημιαγώγιμα ηλεκτρόδια για φωτοηλεκτροκαταλυτική διάσπαση του νερού
