Συντάχθηκε 06-02-2026 10:50
Τόπος: Γ3 - Κτίριο Γ3, Γ3.0.13
Έναρξη: 17/02/2026 10:45
Λήξη: 17/02/2026 11:45
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Ημερομηνία: Τρίτη, 17 Φεβρουαρίου 2026, 10:45
Αίθουσα: Γ3.0.13
Ονοματεπώνυμο: ΔΡΟΥΓΚΑ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ
Θέμα: Υδροθερμική σύνθεση καινοτόμων νανο-ηλεκτροδίων σιδήρου σε υπόστρωμα αφρού νικελίου (Fe@NF) για παραγωγή υδρογόνου σε κελλιά αλκαλικής ηλεκτρόλυσης.
Title: Hydrothermal synthesis of novel nano-structured iron electrodes over nickel foam (Fe@NF) for hydrogen production in alkaline electrolysis cells.
Εξεταστική Επιτροπή
- ΚΟΝΣΟΛΑΚΗΣ ΜΙΧΑΗΛ, Καθηγητής (επιβλέπων)
- ΙΨΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής
- ΠΑΠΑΕΥΘΥΜΙΟΥ ΣΠΥΡΙΔΩΝ, Καθηγητής
Περίληψη
Παρότι το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω διαφόρων καθιερωμένων και αναδυόμενων τεχνολογιών, η ηλεκτρόλυση του νερού έχει προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον λόγω της δυνατότητάς της να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας με τη χρήση ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα, η αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού αποτελεί μία από τις πλέον ώριμες και οικονομικά αποδοτικές τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης που είναι σήμερα διαθέσιμες. Ωστόσο, η εφαρμογή της σε μεγάλη κλίμακα εξακολουθεί να περιορίζεται από τη βραδεία κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, καθώς και από την ανάγκη χρήσης ακριβών ή ανεπαρκώς αποδοτικών υλικών ηλεκτροδίων για τις αντιδράσεις εξέλιξης υδρογόνου και οξυγόνου (Hydrogen Evolution Reaction, HER και Oxygen Evolution Reaction, OER). Τα ηλεκτρόδια με βάση μέταλλα μετάπτωσης αποτελούν μια οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση έναντι των ευγενών μετάλλων ωστόσο, η επίδραση του βαθμού μεταλλικής φόρτωσης στη διεπιφανειακή κινητική και στη συμπεριφορά εμπέδησης παραμένει ανεπαρκώς κατανοητή. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά την ηλεκτροκαταλυτική απόδοση ηλεκτροδίων αφρού νικελίου τροποποιημένων με σίδηρο (Fex@NF) για την αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού. Ηλεκτρόδια με διαφορετικούς βαθμούς μεταλλικής φόρτωσης σιδήρου συντέθηκαν μέσω της διαλυτοθερμικής μεθόδου και αξιολογήθηκαν ως προς την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου σε αλκαλικό ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με κυκλική βολταμμετρία, γραμμική βολταμμετρία σάρωσης ,με ανάλυση Tafel και φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS), σε διάταξη τριών ηλεκτροδίων. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν έντονη εξάρτηση της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς από τον βαθμό μεταλλικής φόρτωσης σιδήρου. Η μέτρια ενσωμάτωση σιδήρου επηρεάζει σημαντικά τη δραστικότητα της HER, οδηγώντας σε μειωμένες υπερτάσεις και ευνοϊκές κινητικές παραμέτρους, ενώ η υπερβολική φόρτωση εισάγει περιορισμούς λόγω αυξημένης εμπέδησης και μειωμένης ηλεκτροκαταλυτικής απόδοσης. Μεταξύ των τεσσάρων δειγμάτων που μελετήθηκαν, το Fe32@NF παρουσίασε την πλέον ισορροπημένη ηλεκτροχημική απόδοση, συνδυάζοντας χαμηλές απαιτήσεις υπέρτασης με ευνοϊκά κινητικά χαρακτηριστικά και μειωμένη διεπιφανειακή εμπέδηση. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν τη σημασία της βελτιστοποίησης της μεταλλικής φόρτωσης, ώστε να επιτυγχάνεται ισορροπία μεταξύ ηλεκτροχημικής ενεργοποίησης και αγωγιμότητας στη διεπιφάνεια, προσφέροντας πολύτιμες κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό αποδοτικών ηλεκτροδίων αλκαλικής ηλεκτρόλυσης χωρίς τη χρήση ευγενών μετάλλων. Η παρούσα διπλωματική εργασία είναι οργανωμένη ως εξής. Το Κεφάλαιο 1 εισάγει το υδρογόνο ως φορέα ενέργειας, παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς του και τεκμηριώνει την ανάγκη για παραγωγή υδρογόνου χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Το Κεφάλαιο 2 παρουσιάζει τις τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου με έμφαση στην αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού. Το Κεφάλαιο 3 εισάγει τη θεωρία της ηλεκτροχημικής διάσπασης του νερού, συμπεριλαμβανομένων των βολταμμετρικών τεχνικών και της συσχέτισής τους με τις αντιδράσεις εξέλιξης υδρογόνου και οξυγόνου. Το Κεφάλαιο 4 αναλύει την ηλεκτροχημική κινητική της αλκαλικής ηλεκτρόλυσης νερού, με έμφαση στους μηχανισμούς HER και OER, στις υπερτάσεις, στην κινητική Butler–Volmer και Tafel. Το Κεφάλαιο 5 πραγματεύεται τη φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής εμπέδησης, καλύπτοντας τις θεμελιώδεις αρχές, τη μοντελοποίηση ισοδύναμων κυκλωμάτων και την εφαρμογή της στην αλκαλική ηλεκτρόλυση νερού. Το Κεφάλαιο 6 περιγράφει τη σύνθεση νανοϋλικών και τους μηχανισμούς ανάπτυξής τους, με έμφαση στη διαλυτοθερμικη σύνθεση και στις διεργασίες πυρηνογένεσης. Το Κεφάλαιο 7 εξετάζει την επιλογή υλικών ηλεκτροδίων και τεκμηριώνει τη χρήση νικελίου τροποποιημένου με σίδηρο. Το Κεφάλαιο 8 παρουσιάζει αναλυτικά τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, ενώ το Κεφάλαιο 9 περιλαμβάνει τα αποτελέσματα και τη συζήτησή τους.
Abstract
While hydrogen can be produced through several established and emerging technologies, water electrolysis has attracted increasing attention due to its potential to generate high-purity hydrogen using renewable electricity. In particular, alkaline water electrolysis remains one of the most mature and cost-effective electrolysis technologies currently available. However, its large-scale deployment is still limited by sluggish reaction kinetics and the reliance on expensive or inefficient electrode materials for the hydrogen and oxygen evolution reactions, HER and OER. Transition metal-based electrodes offer a cost-effective alternative to noble metals, but the influence of metal loading on interfacial kinetics and resistive behaviour remains insufficiently understood. To address these challenges, this thesis investigates the electrocatalytic performance of iron-modified nickel foam (Fex@NF) electrodes for alkaline water electrolysis. Electrodes with varying iron concentrations, were synthesized via a solvothermal method and evaluated for the hydrogen evolution reaction in alkaline media. Electrochemical characterization was performed using cyclic voltammetry, linear sweep voltammetry with Tafel analysis and electrochemical impedance spectroscopy in a three-electrode configuration. The results reveal a strong dependence of electrochemical behaviour on iron loading. Moderate iron incorporation significantly influences HER activity, leading to reduced overpotentials and favourable kinetic parameters, while excessive iron loading introduces resistive limitations and reduced performance. Among the four investigated samples, Fe32@NF exhibited the most balanced electrochemical performance, combining low overpotential requirements with favourable kinetic and impedance characteristics. These results demonstrate the significance of optimizing metal loading to balance electrochemical activation and interfacial conductivity, providing insight for the design of efficient, noble-metal-free electrodes for alkaline water electrolysis. This thesis is organized as follows. Chapter 2 reviews hydrogen production technologies with emphasis on alkaline water electrolysis. Chapter 3 introduces the electrochemical theory of water splitting, including voltametric techniques and their connection to the hydrogen and oxygen evolution reactions. Chapter 4 presents the electrochemical kinetics of alkaline water electrolysis, focusing on HER and OER mechanisms, overpotentials, Butler-Volmer and Tafel kinetics. Chapter 5 discusses electrochemical impedance spectroscopy (EIS) including fundamental concepts, equivalent circuit modelling and its application to alkaline water electrolysis. Chapter 6 describes nanomaterial synthesis and growth mechanisms with emphasis on solvothermal synthesis and nucleation processes. Chapter 7 addresses electrode material selection and provides the rationale for the use of iron-modified nickel. Chapter 8 explains in detail the experimental methodology that was followed and Chapter 9 presents the results and discussion.
