Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής - Φώτιος Ζαραβέλης

Τίτλος Παρουσίασης (Presentation Title): Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός, και προσδιορισμός απόδοσης τροποποιημένων ηλεκτροκαταλυτών Ni/GDC για την αντιστρεπτή λειτουργία κυψελίδων στερεού οξειδίου (rSOCs)
Presentation Type (Τύπος Παρουσίασης): Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής
Ονοματεπώνυμο Ομιλητή (Speakers Full Name): Φώτιος Ζαραβέλης
Προέλευση Ομιλητή (Speakers Affiliation): Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Χημικών Μηχανικών
Seminar Room (Αίθουσα): Βιβλιοθήκη "Αλκιβιάδης Χ. Παγιατάκης"
Ημερομηνία: Δευ, 18 Σεπ 2023, Ώρα: 13:00 - 16:00
Διεύθυνση Διαδικτυακής Μετάδοσης: PhD Defense - F. Zaravelis
Περίληψη (Abstract)

Η λειτουργία των κυψελίδων στερεού οξειδίου (SOC) σε υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, τα οποία εντοπίζονται στην καλύτερη απόδοση και στις μειωμένες απώλειες λόγω της ευνοϊκότερης θερμοδυναμικής και κινητικής των αντιδράσεων. Οι κυψελίδες αυτές προσδίδουν ευελιξία εναλλαγής μεταξύ των διεργασιών ηλεκτρόλυσης και οξείδωσης του καυσίμου, με αποτέλεσμα να είναι ιδανικές για χρήση τόσο στην παραγωγή ενέργειας (Χ-to-Power), όσο και στην παραγωγή και αποθήκευση χημικών (Power-to-X).

Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν κέραμο-μεταλλικοί ηλεκτροκαταλύτες με βάση την εμπορικά διαθέσιμη σκόνη NiO/GDC (65 wt.% NiO – 35 wt.% Ce0.9Gd0.1O2-x), η οποία τροποποιήθηκε μέσω χημικών μεθόδων με μέταλλα μετάπτωσης όπως ο Au, ο Fe και το Mο, με στόχο τη λειτουργία τους υπό συνθήκες αντιστρεπτής κυψελίδας καυσίμου (rSOC). Οι πρώτες προσπάθειες επικεντρώθηκαν στη βελτιστοποίηση του ήδη μελετημένου ηλεκτροδίου 0.4 wt.% Mo – 3 wt.% Au – Ni/GDC, με πρωταρχικό στόχο τη μείωση της φόρτισης σε Au, και έπειτα την εύρεση της βέλτιστης αναλογίας μεταξύ Au και Mo. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν συνθέσεις νέων ηλεκτροκαταλυτών με εναπόθεση των μετάλλων Au και Fe με συνδυασμό των μέχρι πρότινος καλύτερων φορτίσεων (0.5 wt.% και 3 wt.% Au). Στην πορεία δοκιμάστηκαν διαφορετικά ποσοστά με σκοπό τόσο τη μείωση του Au όσο και τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης του κάθε μετάλλου στη λειτουργία του ηλεκτροκαταλύτη. Από τις τροποποιημένες σκόνες του NiO/GDC δημιουργήθηκε κατάλληλη πάστα, η οποία εναποτέθηκε ως ηλεκτρόδιο καυσίμου πάνω σε κεραμικό ηλεκτρολύτη 8YSZ (ZrO2 σταθεροποιημένη με 8 mol.% Y2O3) μέσω screen printing. Ως ηλεκτρόδιο οξυγόνου χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικά διαθέσιμος περοβσκίτης LSCoF (La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ). 

Για τον προσδιορισμό της επίδρασης της κάθε τροποποίησης στα φυσικοχημικά και ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά του Ni/GDC εφαρμόστηκε σειρά μεθόδων σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Πραγματοποιήθηκε εκτενής φυσικοχημική μελέτη των ηλεκτροδίων, τόσο σε μορφή σκόνης όσο και σε ημιστοιχείου, με την χρήση των τεχνικών BET, SEM, XRD, H2-TPR, H2O-TPO, και in-situ H2O XPS. Ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε σε ένα εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 900 – 800 oC, με την εισαγωγή μιγμάτων διαφορετικών συστάσεων (H2O/H2), εναλλάσσοντας τη λειτουργία από κυψελίδα καυσίμου (SOFC) σε κυψελίδα ηλεκτρόλυσης (SOE). Στις παραπάνω συνθήκες καταγράφηκαν δεδομένα δυναμικού-πυκνότητας ρεύματος (V-i) με ταυτόχρονη ανάλυση μέσω Φασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (EIS). Το τροποποιημένο Fe-Au-Ni/GDC ηλεκτρόδιο με την καλύτερη ηλεκτροχημική απόδοση μελετήθηκε σε συγκριτικό πείραμα σταθερότητας με το Ni/GDC υπό συνθήκες αντιστρεπτής κυψελίδας καυσίμου (rSOC). Τέλος, πραγματοποιήθηκε ενδελεχής ηλεκτροκινητική μελέτη των δύο αυτών ηλεκτροδίων, τόσο σε λειτουργία κυψελίδας καυσίμου όσο και σε ηλεκτρόλυσης, λαμβάνοντας λεπτομερή φάσματα EIS σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Στόχος των πειραμάτων αυτών ήταν ο υπολογισμός βασικών κινητικών παραμέτρων, όπως είναι η φαινόμενη τάξη της υπό μελέτη αντίδρασης, καθώς και ο προσδιορισμός της επίδρασης των τροποποιήσεων με Fe και Au.

Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή (Speakers Short CV)
Εκπαίδευση

Διδακτορική διατριβή (2019-2023)

Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών

Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ)

Τίτλος διατριβής: Development, characterization, and performance assessment of modified Ni/GDC electrocatalysts for the reversible operation of solid oxide cells (rSOCs)

Επιβλέπων: Στυλιανός Νεοφυτίδης

Δίπλωμα Χημικού Μηχανικού (2014-2019)

Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών

Βαθμός Πτυχίου: 7.68/10.0 (Λίαν Καλώς)

Επιστημονικές Δημοσιεύσεις
  1. Zaravelis, F., & Niakolas, D. K. (2023). Enhancement of the intrinsic Ni/GDC activity under rSOC operation by means of Fe–Au doping: An electro-kinetic study. International Journal of Hydrogen Energy. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.034 
  2. Zaravelis, F., Sygellou, L., Souvalioti, A., & Niakolas, D. K. (2023). Transition metals in Ni/GDC for the reversible solid oxide cell operation: Optimization of the Mo-Au-Ni synergy and further enhancement via substitution of Mo with Fe. Electrochimica Acta, 453, 142343. doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142343
  3. Vibhu, V., Vinke, I. C., Zaravelis, F., Neophytides, S. G., Niakolas, D. K., Eichel, R. A., & de Haart, L. G. J. (2022). Performance and Degradation of Electrolyte-Supported Single Cell Composed of Mo-Au-Ni/GDC Fuel Electrode and LSCF Oxygen Electrode during High Temperature Steam Electrolysis. Energies, 15(8), 2726. doi.org/10.3390/en15082726
  4. Zaravelis, F., Theodorakis, N., Triantafyllou, A., & Stivanakis, V. (2018). Fly ash of Megalopolis and ferroalumina in the production of building materials. Materials Today: Proceedings, 5(4), 27434–27440. doi.org/10.1016/j.matpr.2018.09.061
Παρουσιάσεις σε Επιστημονικά Συνέδρια
  1. Zaravelis, F., Neophytides, S.G. and Niakolas, D.K. Finding the optimum loading of Au & Mo in NiO/GDC, for the reversible operation of solid oxide cells, 16th Panhellenic Catalysis Symposium (2023) (Poster presentation)
  2. Zaravelis, F., Neophytides, S.G. and Niakolas, D.K. Finding the optimum loading of Au & Mo in NiO/GDC, and replacement of Mo with Fe, for the reversible operation of solid oxide cells, 15th European SOFC & SOE Forum (2022) (Poster presentation)
  3. Zaravelis, F., Neophytides, S.G. and Niakolas, D.K. Finding the optimum loading of Au & Mo in NiO/GDC, and replacement of Mo with Fe, for the reversible operation of solid oxide cells, 13th Panhellenic Scientific Conference on Chemical Engineering (2022) (Oral presentation)
  4. Zaravelis, F., Neophytides, S.G. and Niakolas, D.K. Finding the optimum loading of Au & Mo in NiO/GDC, and replacement of Mo with Fe, for the reversible operation of solid oxide cells, 5th International Workshop on Degradation Issues of Fuel Cells and Electrolysers (2022) (Oral presentation)
  5. Neofytidis, Ch., Ioannidou, E., Zaravelis, F., Neophytides, S.G. and Niakolas, D.K. Transition Metal Elements as Ni/GDC modifiers for the Solid Oxide H2O Electrolysis; the case of Fe. 14th European SOFC & SOE Forum (2020) (Poster presentation)
  6. Zaravelis, F., Niakolas, D.K., Neophytides, S.G, Paloukis, F., Vayenas, C.G., Katsaounis, A. and Buergler, B. High pressure PEM electrolysis stack as part of a Regenerative Fuel Cell System. 5thWorkshop of Graduates & Post-Docs in Chemical Engineering Sciences (2019) (Oral presentation)
  7. Neophytides, S.G., Niakolas, D.K., Paloukis, F., Zaravelis, F.,  Vayenas, C.G., Katsaounis, A., Schautz, M. and Buergler, B. High pressure PEM electrolysis stack as part of a Regenerative Fuel Cell System. 13th Panhellenic Scientific Conference on Chemical Engineering (2019) (Poster presentation)
  8. Niakolas, D.K., Neophytides, S.G., Paloukis, F., Zaravelis, F.,  Vayenas, C.G., Katsaounis, A., Schautz, M. and Buergler, B. High pressure PEM electrolysis stack as part of a Regenerative Fuel Cell System. 4th Workshop of Graduates & Post-Docs in Chemical Engineering Sciences (2018) (Poster presentation)
  9. Neophytides, S.G., Niakolas, D.K., Paloukis, F., Zaravelis, F.,  Vayenas, C.G., Katsaounis, A., Schautz, M. and Buergler, B. High pressure PEM electrolysis stack as part of a Regenerative Fuel Cell System. 15th Panhellenic Catalysis Symposium (2018) (Poster presentation)
  10. Zaravelis, F., Theodorakis, N., Triantafyllou, A. and Stivanakis, V. Fly ash of Megalopolis and ferroalumina in the production of building materials. 12th Panhellenic Scientific Conference on Chemical Engineering (2017) (Oral presentation)
Συμμετοχή σε Ερευνητικά Προγράμματα
  1. Reversible SOEC/SOFC System for a zero emissions network energy system [24_7 Zen, GA: 101101418, 2023-2027]
  2. Development of electrocatalysts/electrodes for the investigation of the reversible electrolysis/fuel cell process on Solid Oxide high temperature cells (rSOC) [NewSOC, GA: 874577, 2020 – 2023]
  3. Development of new electrode materials and understanding of degradation mechanisms on Solid Oxide High Temperature Electrolysis Cells [SElySOs, GA: 671481, 2016 – 2020]
  4. High pressure PEM electrolysis stack as part of a regenerative fuel cell system [ESA, GA: 4000109578/13/NL/SC, 2014-2021]