Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής - Χρήστος Χατζηλίας

Τίτλος Παρουσίασης (Presentation Title): Μελέτη της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της υδρογόνωσης του CO2 σε κυψέλες καυσίμου και αντιδραστήρες ημι-πιλοτικής κλίμακας
Presentation Type (Τύπος Παρουσίασης): Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής
Ονοματεπώνυμο Ομιλητή (Speakers Full Name): Χρήστος Χατζηλίας
Προέλευση Ομιλητή (Speakers Affiliation): Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Χημικών Μηχανικών
Seminar Room (Αίθουσα): Βιβλιοθήκη "Αλκιβιάδης Χ. Παγιατάκης"
Ημερομηνία: Τρί, 27 Σεπ 2022, Ώρα: 11:00 - 14:00
Διεύθυνση Διαδικτυακής Μετάδοσης: https://upatras-gr.zoom.us/j/93708564344?pwd=eFRjc1VFRVFQQ2w4cVgwNTZpZWxsdz09
Περίληψη (Abstract)

Η Ηλεκτροχημική Ενίσχυση της Κατάλυσης (Η.Ε.) ή αλλιώς το φαινόμενο της μη-Φαρανταϊκής Ηλεκτροχημικής Τροποποίησης της Καταλυτικής Ενεργότητας γνωστό και ως φαινόμενο NEMCA (Non-Faradaic Electrochemical Modification of Catalytic Activity) ή EPOC (Electrochemical Promotion of Catalysis) συνδέει τους κλάδους της Ηλεκτροχημείας και της Κατάλυσης. Το αποτέλεσμα της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης εμφανίζεται συνήθως ως αύξηση του παρατηρούμενου ρυθμού μιας αντίδρασης ή της εκλεκτικότητας ως προς κάποια επιθυμητή αντίδραση. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 το φαινόμενο αυτό διερευνήθηκε και καθιερώθηκε με τη μελέτη πλήθους καταλυτικών αντιδράσεων χρησιμοποιώντας μεταλλικούς αγώγιμους καταλύτες, όπως Pt, Pd, Rh, Ag, Ni, Co, Au, Fe, IrO2, RuO2 εναποτιθέμενους σε διάφορους στερεούς ηλεκτρολύτες, αγωγούς ιόντων Ο2-, Η+, Na+, Κ+, κ.α. Επιπλέον, το φαινόμενο της Η.Ε. εφαρμόστηκε με επιτυχία σε συστήματα υδατικών διαλυμάτων, μικτών ιοντικών-ηλεκτρονιακών αγωγών, αλλά και σε ηλεκτρολύτες τηγμένων αλάτων.

Για την ερμηνεία του φαινομένου και τη διερεύνηση των αρχών αλλά και την εξήγηση του μηχανισμού του, αξιοποιήθηκε μια πληθώρα φυσικοχημικών και ηλεκτροχημικών μεθόδων. Σύμφωνα με αυτές, ο μηχανισμός της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης βασίζεται στην ηλεκτροχημικά ελεγχόμενη μετακίνηση των ιόντων του ηλεκτρολύτη, η οποία οδηγεί σε προοδευτική κάλυψη της εκτεθειμένης στην αέρια φάση καταλυτικής επιφάνειας, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας ισοδύναμης ηλεκτροχημικής διπλοστοιβάδας, που επηρεάζει το έργο εξόδου του μετάλλου και κατά συνέπεια την ισχύ των δεσμών των ροφημένων ειδών.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η Η.Ε. της υδρογόνωσης του CO2, αντίδραση η οποία έχει σημαντικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Η αντίδραση διερευνήθηκε σε δύο διαφορετικά καταλυτικά συστήματα βασισμένα σε καταλυτικά υμένια Ru εναποτιθέμενα σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ (αγωγός ιόντων O2-). Πιο συγκεκριμένα, το φαινόμενο εφαρμόστηκε τόσο σε μονολιθικό αντιδραστήρα ημι-πιλοτικής κλίμακας, αλλά όσο και σε αντιδραστήρα κυψέλης καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC).

Η σημασία της διαχείρισης του CO2 ως ένα από τα βασικότερα υπεύθυνα αέρια για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά και η παραγωγή σημαντικών ενώσεων μέσα από την υδρογόνωσή του αποτελούν το αντικείμενο μελέτης του Πρώτου Κεφαλαίου. Επιπλέον στο ίδιο κεφάλαιο, δίνεται έμφαση στις δύο σημαντικές αντιδράσεις που παρατηρήθηκαν στην παρούσα Διατριβή, στην αντίδραση της αντίστροφης μετατόπισης του νερού (Reverse Water Gas Shift, RWGS) και στην αντίδραση της μεθανοποίησης ή αλλιώς αντίδραση Sabatier.

Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται μια σημαντική ανασκόπηση στα ηλεκτροχημικά στοιχεία και κυρίως στις κυψέλες καυσίμου, τις θερμοδυναμικές αρχές που τις διέπουν, αλλά και τους στερεούς ηλεκτρολύτες αγωγών ιόντων Ο2-, που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Επιπλέον, ένα σημαντικό μέρος του κεφαλαίου αφιερώνεται στην περιγραφή του φαινομένου της Η.Ε. Δίνεται η ιστορική αναδρομή του, παρουσιάζεται αναλυτικά ο μηχανισμός του, οι κανόνες που το διέπουν, αλλά και ο τρόπος που αυτό ποσοτικοποιείται. Τέλος, παρουσιάζονται οι μελέτες Η.Ε. του παρελθόντος που αφορούν στην αντίδραση της υδρογόνωσης του CO2.

Οι δύο διαφορετικές πειραματικές διατάξεις όπου διεξήχθη η μελέτη καθώς και η εκάστοτε πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε παρουσιάζονται εκτενώς στο Τρίτο Κεφάλαιο. Αναλυτικά παρουσιάζονται η μέθοδος σύνθεσης και εναπόθεσης των ηλεκτροδίων, η δομή και η λειτουργία του μονολιθικού ηλεκτροχημικά ενισχυόμενου αντιδραστήρα και του αντιδραστήρα κυψέλης καυσίμου τύπου SOFC, όπου πραγματοποιήθηκε η διερεύνηση της Η.Ε. της υδρογόνωσης του CO2. Στο ίδιο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά, οι τεχνικές φυσικοχημικού χαρακτηρισμού που αξιοποιήθηκαν προκειμένου να ληφθούν πληροφορίες για τα μορφολογικά και ηλεκτρονιακά (οξειδωτική κατάσταση) χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων.

Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της καταλυτικής υδρογόνωσης του CO2 σε καταλυτικά υμένια Ru εναποτεθειμένα σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ σε μονολιθικό ηλεκτροενισχυόμενο αντιδραστήρα ημι-πιλοτικής κλίμακας υπό υψηλές ογκομετρικές παροχές αντιδρώντος μίγματος έως και 2500 cm3/min. Η αντίδραση μελετήθηκε για τρεις διαφορετικές αναλογίες αέριου αντιδρώντος μίγματος, PCO2:PH2= 1:7, 1:2 και 2:1, που αντιστοιχούν σε αναγωγικές, ελαφρώς οξειδωτικές (για την αντίδραση της μεθανοποίησης) και οξειδωτικές συνθήκες, με βάση τη στοιχειομετρική αναλογία των δύο αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, μεθανοποίησης και RWGS. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι πληροφορίες που αντλήθηκαν μέσω των τεχνικών φυσικοχημικού χαρακτηρισμού, δηλαδή της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και της περίθλασης ακτίνων X (XRD).

Στο Πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την κινητική μελέτη της υδρογόνωσης του CO2 που πραγματοποιήθηκε, για πρώτη φορά, σε μονολιθικό ηλεκτροενισχύομενο αντιδραστήρα. Διερευνήθηκε η κινητική συμπεριφορά των αντιδράσεων μεθανοποίησης και RWGS στους 370 oC υπό συνολική ογκομετρική παροχή 1000 cm3/min για ένα εύρος μερικών πιέσεων υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα, 1 έως 12 kPa και 0.15 έως 4 kPa, αντίστοιχα. Ταυτόχρονα, εξετάστηκε η συμφωνία με τους κανόνες της Η.Ε. Τα αποτελέσματα της κινητικής μελέτης συνδέθηκαν με αυτά της μεθόδου της Φασματοσκοπικής ανάλυσης XPS.

Το Έκτο και τελευταίο Κεφάλαιο περιέχει τα αποτελέσματα από τα πειράματα Η.Ε. της υδρογόνωσης του CO2 σε έναν αυτό-ενισχυόμενο αντιδραστήρα κυψέλης καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) χαμηλής θερμοκρασίας. Τα πειράματα έλαβαν χώρα χρησιμοποιώντας ως ανοδική τροφοδοσία τόσο καθαρό υδρογόνο (λειτουργία κυψέλης καυσίμου), όσο και μίγμα υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα (διπλή λειτουργία αντιδραστήρα-κυψέλης καυσίμου) για ένα εύρος θερμοκρασιών από 200 έως 460 oC σε δύο διαφορετικές αναλογίες αέριου αντιδρώντος μίγματος, PCO2:PH2= 1:7 και 3:7. Κατά τη δεύτερη λειτουργία, η παραγόμενη από την κυψέλη ενέργεια χρησιμοποιήθηκε για την Η.Ε. της καταλυτικής αντίδρασης. Στο τέλος του κεφαλαίου, παρουσιάζεται ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των ηλεκτροδίων πριν και μετά τη διεξαγωγή των πειραμάτων.

 

 

Σύντομο Βιογραφικό Ομιλητή (Speakers Short CV)

ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ

Α. Διδακτορική Διατριβή

10/2018 - 09/2022

Εργαστήριο Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας, Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών

Τίτλος Διατριβής:

«Μελέτη της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της υδρογόνωσης του CO2 σε κυψέλες καυσίμου και αντιδραστήρες ημι-πιλοτικής κλίμακας».

Επιβλέπων Διδακτορικής Διατριβής:

Καθηγητής Αλέξανδρος Κατσαούνης

Β. Δίπλωμα Χημικού Μηχανικού

10/2012 - 03/2018

Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών

Βαθμός Διπλώματος: 7.8/10 (Λίαν Καλώς)

Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας:

«Σύγκριση θεωρητικών προβλέψεων και πραγματικής παραγωγής ηλιακής ενέργειας από εγκατεστημένα φωτοβολταϊκά του κτιρίου Χ/Μ  του ΠΠ στην πρώτη τετραετία λειτουργίας τους».

Επιβλέπων Διπλωματικής Εργασίας:

Αναπληρωτής Καθηγητής Ελευθέριος Αμανατίδης

ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ

  1. C. Chatzilias, E. Martino, D. Zagoraios, G. Kyriakou and A. Katsaounis, Electrochemical Promotion of Catalysis for CO2 valorisation. Springer Nature. 2022 (book chapter, in press)
  2. C. Chatzilias, E. Martino, C. G. Vayenas, G. Kyriakou, A. Katsaounis (2022) A low temperature SOFC as self-promoted reactor for CO2 catalytic hydrogenation. Appl Catal B Environ 317:121778. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121778
  3. C. Chatzilias, E. Martino, S. Tsatsos, G. Kyriakou, A. Katsaounis, C. G. Vayenas (2022) Kinetic study of CO2 hydrogenation on Ru/YSZ catalyst using a monolithic electropromoted reactor (MEPR). Chem Eng J 430. doi: 10.1016/j.cej.2021.132967
  4. C. Chatzilias, E. Martino, A. Katsaounis, C. G. Vayenas (2021) Electrochemical promotion of CO2 hydrogenation in a monolithic electrochemically promoted reactor (MEPR). Appl Catal B Environ 284:119695. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119695

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΕΙΣ ΣΕ ΣΥΝΕΔΡΙΑ

  1. A. Lymperi, C. Chatzilias, E. Martino, C. G. Vayenas, G. Kyriakou, A. Katsaounis, "Wireless Electrochemical Promotion of catalytic reactions using low temperature SOFCs. The case of CO2 hydrogenation". 13th Hellenic Conference of Chemical Engineering, Patras, June 2-4, 2022 (speech)
  2. D. Kinderlis, C. Chatzilias, E. Martino, C. G. Vayenas, G., A. Katsaounis, "Electrochemical promotion of CO2 hydrogenation reaction over Pt catalytic films to CO production". 13th Hellenic Conference of Chemical Engineering, Patras, June 2-4, 2022 (poster)
  3. C. Chatzilias, E. Martino, D. Grigoriou, D. Zagoraios, A. Katsaounis and C. G. Vayenas, "Electrochemical Promotion of CO2 Hydrogenation on thin porous Ruthenium catalytic films deposited on YSZ in single pellet and monolithic reactors", 17th International Congress on Catalysis (ICC2020), San Diego, California, USA, June 14-19, 2020, (speech).
  4. C. Chatzilias, E. Martino, D. Grigoriou, D. Zagoraios, A. Katsaounis and C. G. Vayenas, "Electrochemical promotion of CO2 hydrogenation on thin porous ruthenium catalytic films deposited on YSZ in single pellet and monolithic reactors", 5th Workshop of Graduates & Post-Docs in Chemical Engineering Sciences, Patras, November 06, 2019, (poster)
  5. D. Zagoraios, C. Chatzilias, A. Athanasiadi, I. Kalaitzidou, S. Ntais, A. Katsaounis, A. Caravaca, P. Vernoux, C. G. Vayenas, "Electrochemical promotion of methane oxidation over nanodispersed Pd/Co3O4 catalysts", 2019 Sustainable Industrial Processing Summit and Exhibition, Paphos, October 23-27, 2019 (speech)
  6. C. Chatzilias, D. Zagoraios, A. Katsaounis and C. G. Vayenas, "Supported and unsupported Pd nanoparticles as active catalysts for the electrochemical promotion of catalysis of the methane oxidation reaction", 12th Hellenic Conference of Chemical Engineering, Athens, May 29-31, 2019 (poster)

ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΣΕ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ

  1. 12/2018 - 02/2022                                                                                                                                                                                  Ερευνητική υποτροφία, στα πλαίσια του προγράμματος «80464: Κλιμάκωση μεγέθους της Ηλεκτροχημικά Ενισχυόμενης Καταλυτικής Υδρογόνωσης του CO2 προς παραγωγή καυσίμων (CO2 TO FUELS) MIS 5030177» που χρηματοδοτείται από την ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ, με Επιστημονικό Υπεύθυνο τον κ. Κ. Βαγενά.
  2. 05/2022 - 09/2022                                                                                                                                                                                  Ερευνητική υποτροφία, στα πλαίσια του προγράμματος «80109: Διαχείριση εσόδων για την ανάπτυξη του Π.Π - Διερεύνηση του ανθρακικού αποτυπώματος του Πανεπιστημίου Πατρών» που χρηματοδοτείται από το Π.Π με Επιστημονικό Υπεύθυνο τον κ. Χ. Μπούρα.