Amonyak boranın hidrolizinden hidrojen eldesi için titanyum dioksit destekli bakır – kobalt katalizörünün geliştirilmesi
Development of titanium dioxide supported copper – cobalt catalyst for hydrogen production via ammonia borane hydrolysis
- Tez No: 1013658
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Bor bileşikleri, Hidrojen depolanması, Hidrojen enerjisi, Hidrojen üretimi, Hidroliz, Katalitik aktivite, Katalizörler, Boron compounds, Hydrogen storage, Hydrogen energy, Hydrogen production, Hydrolysis, Catalytic activity, Catalysts
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günden güne artan küresel enerji talebi, sürdürülebilir ve çevre dostu enerji çözümlerinin geliştirilmesini zorunlu hale getirmektedir. Bu bağlamda hidrojen, doğrudan bir enerji kaynağı olmamakla birlikte, yüksek enerji içeriği ve yenilenebilir kaynaklardan üretilebilme potansiyeli sayesinde geleceğin enerji taşıyıcıları arasında öne çıkmaktadır. Ancak hidrojenin enerji sistemlerinde yaygın biçimde kullanılabilmesi, güvenli, ekonomik ve yüksek yoğunluklu depolama teknolojilerinin geliştirilmesiyle yakından ilişkilidir. Gaz ve sıvı faz depolama yöntemlerinin basınç ve hacim sınırlamaları nedeniyle pratik uygulamalarda yetersiz kalması, katı faz malzeme tabanlı depolama sistemlerine olan ilgiyi artırmaktadır. Bu alanda amin boran bileşikleri yüksek gravimetrik hidrojen kapasiteleriyle ön plana çıkmakta olup, özellikle amonyak boran (AB), ağ. %19,6 hidrojen içeriği, kimyasal kararlılığı ve kontrollü hidrojen salımına imkân tanıması nedeniyle önemli bir adaydır. AB'nin hidrolizi teorik olarak 1 mol AB'den 3 mol H2 elde edilmesine olanak sağlamakta, ancak reaksiyonun kinetik olarak yavaş olması katalizör kullanımını zorunlu kılmaktadır. AB hidrolizi için literatürde en yüksek aktiviteye genellikle soy metal katalizörleri ulaşsa da (örn. Ru, Rh, Pt), bu katalizörlerin yüksek maliyeti ve sınırlı rezervleri geniş ölçekli enerji uygulamaları için ciddi bir kısıt oluşturmaktadır. Bu nedenle, soy metal içermeyen ancak yüksek katalitik performans gösterebilen alternatif sistemlerin geliştirilmesi önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu çerçevede Cu-Co bimetalik katalizörler hem düşük maliyetli olmaları hem de iki metal arasındaki sinerjik etkileşim sonucu ortaya çıkan elektronik etki avantajları nedeniyle dikkat çekmektedir. Ayrıca, bu tip katalizörlerin basit sentez yöntemleriyle hazırlanabilir olması, uygulama açısından ek bir avantaj sunmaktadır. Bu çalışmada, AB hidrolizinden hidrojen üretimi amacıyla TiO2 destekli Cu-Co bimetalik katalizörler sentezlenmiş ve performansları sistematik olarak incelenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin yapısal, morfolojik ve kimyasal özelliklerinin anlaşılması için SEM, EDX, BET, XRD, XPS ve TEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon testleri sonucunda Cu0,4Co0,6/TiO2 katalizörünün en yüksek katalitik aktiviteyi sergilediği belirlenmiş; 25 °C'de 194 dk-1 dönüşüm frekansına (TOF) ulaştığı tespit edilmiştir. Kinetik analizler kapsamında güç yasası ve Langmuir-Hinshelwood modelleri uygulanmış, reaksiyonun makroskobik olarak AB derişimine göre yalancı birinci derece kinetik davranış sergilediği belirlenmiştir. Arrhenius analizi sonucunda reaksiyon için görünür aktivasyon enerjisi 38,44 kJ.mol-1 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca Langmuir-Hinshelwood modelinin deneysel verilerle yüksek uyum göstermesi, reaksiyon mekanizmasının katalizör yüzeyinde adsorplanmış türler üzerinden ilerleyen heterojen bir yüzey reaksiyon mekanizması ile açıklanabileceğini ortaya koymuştur. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen Cu-Co/TiO2 katalizör sisteminin AB hidrolizi ile hidrojen üretimi için yüksek katalitik aktivite, düşük enerji bariyeri ve uygun kinetik davranış sergilediğini göstermekte olup, soy metal içermeyen katalizörler sınıfında rekabetçi ve sürdürülebilir bir alternatif sunduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
The steadily increasing global energy demand necessitates the development of sustainable and environmentally compatible energy solutions. In this context, hydrogen, although not a primary energy source, is regarded as a promising energy carrier due to its high energy density, clean conversion products, and the possibility of being produced from renewable resources. However, the widespread use of hydrogen in energy systems is strongly dependent on the development of safe, cost-effective, and high-density storage technologies. The limitations of gaseous and liquid hydrogen storage in terms of volume and pressure have directed attention toward solid-state material-based storage strategies. Among these, aminoborane compounds have emerged as promising candidates owing to their high gravimetric hydrogen capacities. Particularly, ammonia borane (AB) has attracted significant interest due to its 19.6 wt. % hydrogen content, chemical stability, and ability to release hydrogen in a controlled manner. The hydrolysis of AB theoretically enables the generation of 3 mol H2 per mol AB; however, the reaction proceeds slowly in the absence of an appropriate catalyst, making catalytic systems indispensable. While noble metal catalysts (e.g., Ru, Rh, Pt) typically exhibit the highest activities for AB hydrolysis, their high cost and limited availability restrict their applicability in large-scale energy technologies. This has motivated significant interest in noble-metal-free catalysts that can deliver high catalytic performance at lower cost. In this regard, Cu-Co bimetallic catalysts have attracted considerable attention due to their low cost, the synergistic electronic effects arising from metal–metal interactions, and the feasibility of their synthesis through simple preparation routes. In this study, TiO2 supported Cu-Co bimetallic catalysts were synthesized for hydrogen generation from the hydrolysis of AB, and their catalytic performances were systematically investigated. The structural, morphological, and chemical characteristics of the synthesized catalysts were analyzed using SEM, EDX, BET, XRD, XPS and TEM techniques. Catalytic tests revealed that the Cu0,4Co0,6/TiO2 composition exhibited the highest activity, achieving a turnover frequency of 194 min-1 at 25 °C, outperforming previously reported noble-metal-free catalysts. Kinetic analyses were conducted using both power-law and Langmuir-Hinshelwood kinetic models. The results indicated that the reaction follows pseudo-first-order kinetics with respect to AB concentration from a macroscopic perspective. Based on the Arrhenius analysis, the apparent activation energy of the reaction was calculated to be 38.44 kJ.mol-1. In addition, the excellent agreement of the experimental data with the Langmuir-Hinshelwood model suggests that the reaction proceeds via a heterogeneous surface reaction mechanism involving adsorbed species on the catalyst surface. Overall, the results demonstrate that the developed Cu-Co/TiO2 catalytic system exhibits high catalytic activity, a relatively low energy barrier, and favorable kinetic behavior for hydrogen generation via AB hydrolysis, indicating that it represents a competitive and sustainable alternative among noble-metal-free catalysts.
Benzer Tezler
- Preparation and characterization of zeolite confined cobalt(0) nanoclusters as catalyst for hydrogen generation from the hydrolysis of sodium borohydride and ammonia borane
Zeolit gözenekleri içine hapsedilmiş kobalt(0) nanokümelerin hazırlanması, tanımlanması ve sodyum borhidrür ile amonyak boranın hidrolizinden hidrojen üretiminde katalizör olarak kullanılması
MURAT RAKAP
- Ruthenium(0) nanoparticles supported on graphene: Preparation, characterization and catalytic use in hydrogen generation from hydrolysis of ammonia borane
Grafen üzerinde desteklendirilmiş rutenyum(0) nanoparçacıkları: Hazırlanması, karakterizasyonu ve amonyak boran hidrolizinden hidrojen üretiminde katalitik olarak kullanılması
FATMA ASİYE ACAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SAİM ÖZKAR
- Graphitic carbon nitride/red phosphorus heterojunctions decorated with platinum nanoparticles as catalysts for the photo-assisted hydrolysis of ammonia borane
Amonyak boranın foto yardımlı hidrolizi için katalizör olarak platin nanoparçacıklarla dekore edilmiş grafit karbon nitrür/kırmızı fosfor heteroeklemleri
SILA ALEMDAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNDER METİN
- Amonyak boranın hidrolizinden hidrojen üretimi için heterojen katalizörlerin geliştirilmesi ve tepkime kinetiğinin incelenmesi
Development of heterogeneous catalysts for hydrogen production from ammonia borane and investigation of reaction kinetics
BAHTİYAR SAYGIN
- Grafen hidrojele desteklenmiş geçiş metal nanopartikülleri: Tek kapta sentezi ve amonyak boranın hidrolizinden hidrojen üretiminde katalitik etkinlikleri
Graphene hydrogel supported transition metal nanoparticles: One-pot synthesis and catalytic activity i̇n hydrogen generation from the hydrolysis of ammonia borane
İBTİHEL ZAİER AKPINAR
Doktora
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNDER METİN