Laser induced graphene on polyimide substrate for hydrogen generation
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2025-03-18
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), ΔΠΜΣ Νανοτεχνολογία για Ενεργειακές Εφαρμογές
Περίληψη
This thesis focuses on the fabrication and optimization of Laser-Induced Graphene (LIG), a material with graphene-like properties produced through a one-step, laser-based process. Using commercially available polyimide (PI) as a substrate and nanosecond and picosecond laser pulses, the study investigates the effects of key fabrication parameters such as repetition rate, power, pulse duration, and laser patterning on the quality of the resulting LIG. Through systematic optimization, LIG with a sheet resistance as low as 16 Ohm/sq was achieved, with its high quality confirmed via Raman spectroscopy, I-V measurements, and SEM imaging. The fabricated LIG was then applied as electrodes for the Hydrogen Evolution Reaction (HER) in electrochemical hydrogen generation. Performance testing using Linear Sweep Voltammetry (LSV) and Chronoamperometry (CA) revealed that pure LIG electrodes outperformed functionalized samples, attributed to better exposure of the porous surface for interaction with the electrolyte. This work demonstrates the potential of LIG as a scalable, environmentally friendly material for energy applications while highlighting areas for further optimization to enhance its performance in hydrogen generation and beyond.
Αυτή η μεταπτυχιακή διατριβή εξετάζει τη διαδικασία κατασκευής και βελτιστοποίησης του γραφενίου επαγόμενου με λέιζερ (LIG), ένα υλικό με ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του γραφενίου, το οποίο παράγεται μέσω μιας μονοσταδιακής διαδικασίας που αξιοποιεί την τεχνολογία λέιζερ. Αξιοποιώντας πολυϊμίδιο (PI) ως υπόστρωμα και παλμικό λέιζερ με διάρκεια νανοδευτερόλεπτων και πικοδευτερολέπτων, η παρούσα μελέτη εξετάζει τις επιδράσεις καθοριστικών παραμέτρων της κατασκευής, όπως ο ρυθμός επανάληψης, η ισχύς, η διάρκεια του παλμού και η διαμόρφωση του σχεδίου που δημιουργείται μέσω λέιζερ, στην ποιότητα του παραγόμενου υλικού LIG. Μέσω μιας συστηματικής διαδικασίας βελτιστοποίησης, επιτεύχθηκε LIG με αντίσταση 16 Ohm/sq ενώ η υψηλή ποιότητα του τελικού υλικού επιβεβαιώθηκε μέσω δομικών χαρακτηρισμών, όπως φασματοσκοπία Raman, σάρωση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) και μετρήσεις I-V. Τα παραγόμενα δείγματα LIG, καθώς και τα δείγματα LIG που περιείχαν πορφυρίνες, χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια για την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER) στην ηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου. Μετά από πειραματικές δοκιμές σχετικά με την απόδοση, χρησιμοποιώντας Γραμμική Σαρωτική Βολταμετρία (LSV) και Χρονοαμπερομετρία (CA), διαπιστώθηκε ότι τα ηλεκτρόδια που περιλάμβαναν LIG παρουσίασαν ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με αυτά που περιείχαν πορφυρίνες, γεγονός που αποδίδεται στη βελτιωμένη έκθεση της πορώδους επιφάνειας για αλληλεπίδραση με τον ηλεκτρολύτη. Η παρούσα εργασία αναδεικνύει τις δυνατότητες του LIG ως υλικό με ικανότητες κλιμάκωσης, καθώς και ως φιλικό προς το περιβάλλον, ιδανικό για ενεργειακές εφαρμογές. Επιπλέον, επισημαίνει τομείς που απαιτούν περαιτέρω βελτιστοποίηση προκειμένου να ενισχυθεί η απόδοσή του στην παραγωγή υδρογόνου και σε άλλες εφαρμογές.
Αυτή η μεταπτυχιακή διατριβή εξετάζει τη διαδικασία κατασκευής και βελτιστοποίησης του γραφενίου επαγόμενου με λέιζερ (LIG), ένα υλικό με ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του γραφενίου, το οποίο παράγεται μέσω μιας μονοσταδιακής διαδικασίας που αξιοποιεί την τεχνολογία λέιζερ. Αξιοποιώντας πολυϊμίδιο (PI) ως υπόστρωμα και παλμικό λέιζερ με διάρκεια νανοδευτερόλεπτων και πικοδευτερολέπτων, η παρούσα μελέτη εξετάζει τις επιδράσεις καθοριστικών παραμέτρων της κατασκευής, όπως ο ρυθμός επανάληψης, η ισχύς, η διάρκεια του παλμού και η διαμόρφωση του σχεδίου που δημιουργείται μέσω λέιζερ, στην ποιότητα του παραγόμενου υλικού LIG. Μέσω μιας συστηματικής διαδικασίας βελτιστοποίησης, επιτεύχθηκε LIG με αντίσταση 16 Ohm/sq ενώ η υψηλή ποιότητα του τελικού υλικού επιβεβαιώθηκε μέσω δομικών χαρακτηρισμών, όπως φασματοσκοπία Raman, σάρωση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) και μετρήσεις I-V. Τα παραγόμενα δείγματα LIG, καθώς και τα δείγματα LIG που περιείχαν πορφυρίνες, χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια για την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER) στην ηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου. Μετά από πειραματικές δοκιμές σχετικά με την απόδοση, χρησιμοποιώντας Γραμμική Σαρωτική Βολταμετρία (LSV) και Χρονοαμπερομετρία (CA), διαπιστώθηκε ότι τα ηλεκτρόδια που περιλάμβαναν LIG παρουσίασαν ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με αυτά που περιείχαν πορφυρίνες, γεγονός που αποδίδεται στη βελτιωμένη έκθεση της πορώδους επιφάνειας για αλληλεπίδραση με τον ηλεκτρολύτη. Η παρούσα εργασία αναδεικνύει τις δυνατότητες του LIG ως υλικό με ικανότητες κλιμάκωσης, καθώς και ως φιλικό προς το περιβάλλον, ιδανικό για ενεργειακές εφαρμογές. Επιπλέον, επισημαίνει τομείς που απαιτούν περαιτέρω βελτιστοποίηση προκειμένου να ενισχυθεί η απόδοσή του στην παραγωγή υδρογόνου και σε άλλες εφαρμογές.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Graphene, Polyimide, Picosecond laser, Hydrogen production, Γραφένιο, Πολυϊμίδιο, Λέιζερ πικοδευτερολέπτων, Παραγωγή υδρογόνου