Στοιχεία καυσίμου και ηλεκτρολυτικά στοιχεία με στερεό ηλεκτρολύτη

Τα στοιχεία καυσίμου (ή κυψέλες καυσίμου) αποτελούν συσκευές παραγωγής ενέργειας στις οποίες η χημική ενέργεια ενός καυσίμου, όπως το Η2, μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια (και θερμότητα) άμεσα, χωρίς ενδιάμεσο βήμα χημικής καύσης. Τα στοιχεία καυσίμου με στερεό κεραμικό ηλεκτρολύτη (solid oxide fuel cells, SOFCs), με τυπική θερμοκρασία λειτουργίας 800 – 900 oC, παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα συγκρινόμενα με άλλους τύπους στοιχείων καυσίμου, μεταξύ των οποίων και η δυνατότητα χρήσης ανθρακούχων καυσίμων χωρίς προηγούμενη αναμόρφωσή τους σε εξωτερικό αναμορφωτή, αφού η καταλυτική δράση της ανόδου στη θερμοκρασία λειτουργίας των SOFC επιτρέπει και εσωτερική αναμόρφωση (internal reforming SOFC ή IR-SOFC), με σημαντικό λειτουργικό και οικονομικό όφελος. Επιπλέον, με επιλογή κατάλληλης ανόδου, είναι δυνατή σε SOFCs η συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και χρήσιμων χημικών προϊόντων (χημική συμπαραγωγή, chemical cogeneration). Η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας των SOFC αναμένεται να να οδηγήσει σε μείωση του κόστους τους αλλά και της σταδιακής υποβάθμισης (degradation) της λειτουργίας τους, προϋποθέτει όμως, με ανάπτυξη νέων υλικών και μεθόδων,  αντιμετώπιση του προβλήματος της αύξησης των υπερτάσεων (ενεργειακών απωλειών).
Η τρέχουσα ερευνητική μας δραστηριότητα στη περιοχή των SOFC σχετίζεται με την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό, με χρήση μεγάλου αριθμού ηλεκτροχημικών και καταλυτικών μεθόδων, νέων  ηλεκτροδίων-καταλυτών και ηλεκτρολυτών, κατάλληλων ιδιαίτερα για ενδιάμεσης θερμοκρασίας (600-800 oC ) SOFC. Επίσης σχετίζεται με τη μελέτη  των παραγόντων που οδηγούν σε σταδιακή υποβάθμιση της λειτουργίας των SOFC. Προς τη κατεύθυνση αυτή, τα ερευνητικά μας ενδιαφέροντα εστιάζονται στα ακόλουθα:
(α) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό περοβσκιτικών καθόδων με μικτή (ιοντική και ηλεκτρονική) αγωγιμότητα και υψηλή δραστικότητα για αναγωγή οξυγόνου, κυρίως περοβσκιτικών καθόδων La-Sr-Co-Fe.
(β) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό κεραμομεταλλικών ανόδων για SOFCs τροφοδοτούμενα με ανθρακούχα καύσιμα και λειτουργία υπό συνθήκες εσωτερικής αναμόρφωσης ή χημικής συμπαραγωγής, καθώς επίσης και κεραμικών ανόδων μικτής αγωγιμότητας, ανθεκτικών σε κύκλους οξείδωσης/αναγωγής και με βελτιωμένη λειτουργικότητα.
(γ) Στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό SOFCs βασισμένων σε υποκατεστημένα πυριτικά οξείδια δομής απατίτη ( apatite-type lanthanum silicate based SOFCs)
Η λειτουργία ενός SOFC είναι καταρχήν αντιστρεπτή, υπό την έννοια ότι το στοιχείο είναι δυνατό να λειτουργήσει και ως ηλεκτρολυτικό στοιχείο (solid oxide electrolysis cell, SOEC), με σύνδεσή του με μια  ηλεκτρική  πηγή και συνακόλουθη προσφορά ηλεκτρικής ενέργειας  για πραγματοποίηση μη-αυθόρμητων αντιδράσεων που οδηγούν σε επιθυμητά προϊόντα, όπως  Η2 από Η2Ο. Τα ερευνητικά μας ενδιαφέρονται κατευθύνονται επίσης στην ανάπτυξη νέων ηλεκτροδίων-καταλυτών για εφαρμογή σε  SOECs, με κύριο στόχο την ελαχιστοποίηση των αναπτυσσόμενων υπερτάσεων και την αντιμετώπιση της σταδιακής υποβάθμισης του στοιχείου, λαμβάνοντας υπόψη τις εγγενείς διαφορές όσον αφορά στο τρόπο λειτουργίας του ίδιου ηλεκτροχημικού στοιχείου ως SOFC ή SOEC.

Μη-συμβατικά στοιχεία καυσίμου

Τα μικροβιακά στοιχεία καυσίμου (Microbial Fuel Cells, MFCs) είναι συσκευές  στις οποίες η χημική ενέργεια ενός οργανικού υποστρώματος, όπως η γλυκόζη, μετατρέπεται άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω  ηλεκτροχημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν βιοχημικά βήματα. Σε ένα MFC,  το οργανικό υπόστρωμα οξειδώνεται  υπό αναερόβιες συνθήκες  με απομάκρυνση ηλεκτρονίων από βακτήρια τα οποία αποδίδουν στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια στο ανοδικό ηλεκτρόδιο του στοιχείου. Τα MFCs βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, όμως αποτελούν πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για διαχείριση υγρών αποβλήτων με παράλληλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια συνεργαζόμαστε με την ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Γ. Λυμπεράτου (Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ) με στόχο την ανάπτυξη μικροβιακών κυψελίδων καυσίμου τροφοδοτούμενων με παραπροϊόντα ή απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων, όπως το τυρόγαλα. Η συμπληρωματική εμπειρία των δύο συνεργαζόμενων ερευνητικών ομάδων στις περιοχές της ηλεκτροχημικής μηχανικής και της βιοχημικής μηχανικής αποτελεί βασικό στοιχείο της τρέχουσας ερευνητικής προσπάθειάς τους με στόχο τη κλιμάκωση μεγέθους και την αριστοποίηση της λειτουργίας των αναφερθέντων συστημάτων MFC καθώς επίσης και στην διεξοδική μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την λειτουργικότητα και απόδοσή τους. 
Τα φωτο-ηλεκτροχημικά στοιχεία είναι συσκευές στις οποίες η φωτεινή ακτινοβολία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια (φωτο-ηλεκτροχημικά στοιχεία καυσίμου, photo-fuel cells) ή σε χημικά προϊόντα (φωτοσυνθετικά στοιχεία, photosynthetic cells). Η λειτουργία τους βασίζεται στο σχηματισμό ζευγών ηλεκτρονίου-οπής  επαγόμενο από φωτοδιέγερση ενός ημιαγώγιμου ηλεκτροδίου. Σε συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του Αναπληρωτή Καθηγητή Δ. Κονταρίδη, οι τρέχουσες ερευνητικές μας δραστηριότητες στη περιοχή των φωτο-ηλεκτροχημικών στοιχείων εστιάζεται στην ανάπτυξη και χαρακτηρισμό αποδοτικών φωτο-ηλεκτροκαταλυτών, ιδιαίτερα φωτοανόδων με δυνατότητα αποδοτικής διέγερσης από ορατή ακτινοβολία

Ετερογενής Κατάλυση και Ηλεκτροχημική Ενίσχυση

Οι καταλυτικές ιδιότητες μεταλλικών και μεταλλοξειδικών ηλεκτροδίων σε επαφή με στερεούς ηλεκτρολύτες είναι δυνατό να τροποποιηθούν κατά τρόπο δραματικό και αντιστρεπτό υπό συνθήκες πόλωσης της διεπιφάνειας ηλεκτροδίου/στερεού ηλεκτρολύτη. Το φαινόμενο αυτό, το οποίο είναι γνωστό ως Μη-φαρανταϊκή ηλεκτροχημική Τροποποίηση της Καταλυτικής Ενεργότητας (Non-Faradaic Electrochemical Modification of Catalytic Activity, NEMCA) ή Ηλεκτροχημική Ενίσχυση (Electrochemical Promotion, EP), έχει μελετηθεί  σε μεγάλη έκταση τα τελευταία 25 χρόνια για ένα μεγάλο αριθμό αντιδράσεων, ηλεκτροδίων και στερεών ηλεκτρολυτών ή μικτών αγωγών. Τα ερευνητικά μας ενδιαφέρονται  στη περιοχή αυτή εστιάζονται σε πιθανές τεχνολογικά καινοτόμες εφαρμογές του φαινομένου της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης σε καταλυτικές αντιδράσεις βιομηχανικού και περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος. Επίσης, εστιάζονται στον ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό του συστήματος ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη  υπό συνθήκες Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης, ιδιαίτερα στη περίπτωση αγωγών ιόντων αλκαλίων, με στόχο τη σε βάθος  κατανόηση  της διασύνδεσης μεταξύ των ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών του συστήματος και της ηλεκτροχημικά επαγόμενης in situ ενίσχυσης των ιδιοτήτων του ηλεκτροδίου-καταλύτη, σε αντιπαραβολή με την αντίστοιχη ενίσχυση του καταλύτη με συνήθεις μεθόδους.