Utilization of MOF derived highly dispersed fe-based catalysts in ammonia decomposition reaction
Metal organik kafesten türetilmiş yüksek dağılımlı Fe-bazlı katalizörlerin amonyak bozunumunda kullanımı
- Tez No: 528514
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER UZUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Hidrojen yakıt pili uygulamaları için temiz bir enerji sağlayıcıdır. Yakıt pil sistemlerinin uygulanabilirliği hidrojenin depolanma ve taşınım problemlerinden dolayı kısıtlıdır. Direk olarak depolamak yerine, H2'e göre daha kolay depolanabilen, hidrojen içeren materyallerin H2 kaynağı olarak kullanılması umut vaat bir yaklaşımdır. Amonyak, hacimsel ve kütlesel olarak içerdiği yüksek H2 yoğunluğu sayesinde bu adaylardan biridir. Amonyak ayrışmasından hidrojen üretmek için, Ru-bazlı katalizörler en iyi performans gösteren katalizörlerdir. Bu katalizörlerin yüksek fiyatlı ve az bulunmaları ticari kullanımlarını kısıtlamaktadır. Ucuz ve bol bulunmalarından dolayı, Fe-bazlı katalizörler, Ru-bazlı olanlara göre iyi bir alternatiflerdir. Fakat demir büyük nanoparçacıklar oluşturmak üzere hızlı topaklaşmaya yatkın olduğundan, yüksek yükleme miktarında ve yüksek dağılımda demir katalizörü hazırlamak zorludur. Bu açıdan, metal organik gözenekli malzemeler geniş faydalar sunmaktadır. Metal organik gözenekli malzemeler yüksek metal içeriği ile bunları bağlayan organik bağlayıcılar içeren yüksek gözenekli materyallerdir. Kontrollü bir ortamda bozunumları, ana malzeme olarak yüksek metal içerdiğinden, çok yüksek metal yüklemesine sahip karbon ve karbona gömülü metal nanoparçacıklar gibi çeşitli fonksiyonel materyaller sentezlenmesine izin verir. Bu tezde, bir dizi Fe-BTC'den (demir 1,3,5- benzentrikarboksilik asit) türetilen karbon üzerine yüklü Fe-bazlı katalizörler N2 altında ısıl bozunum yoluyla sentezlenmiş ve amonyak bozunumu reaksiyonu için test edilmiştir. Taramalı elektron mikroskopu ve X-ışınları kırınım ölçeri karakterizasyon sonuçları, Fe nanoparçacık boyutunun, ısıl bozunum sıcaklığı yükseldikçe arttığını göstermiştir. Ayrıca ısıl bozunum sıcaklığının karbon destek malzemesinin üzerinde etkisi olduğu görülmüştür. Destek malzemesinin grafittik özelliği ile ısıl bozunum sıcaklığı arasında lineer bir ilişki (R2=0.97) vardır. Küçük nanoparçacıklı ve yüksek grafittik derecesine sahip katalizör, 500 ºC'de yüksek amonyak ayrıştırma aktivitesi göstermiştir. 3000 cm3 NH3 h-1 gcat-1 boşluk hızında, 2.6 mmol H2/gcat/min hidrojen üretimine karşılık gelen, 85.5% amonyak dönüşümü elde edilmiştir. Bu sonuçlar, kütlece % 34'ü geçen oldukça yüksek yüklemede ulaşılmış yüksek metal dağılımı sayesinde, en iyi performans gösteren demir bazlı katalizörler arasındadır. Sonuçlar, MOFların katalizör ön-malzemeleri olarak değerlendirilmesinin, yüksek dağılımda, yüksek yüklemede yüklü metal katalizörleri elde etmek için geniş potansiyelini ortaya koymaktadır. Ayrıca, karbon desteğinin yüzey özelliklerini ayarlabiliyor olmak, yüksek performans için aktif grupların yapısını optimize etmek yolunda ek avantajlar sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Hydrogen is a clean energy supply for fuel cell applications. The applicability of fuel cell systems is limited because of the storage and transportation problems of hydrogen. Instead of direct storage, using hydrogen containing materials which can be stored easier compared to pure H2 is a promising approach. Ammonia is one of the candidates thanks to its high volumetric and gravimetric energy density. Ru-based catalysts are best performing ones for ammonia decomposition to produce hydrogen. However, their high cost and low abundance limit their commercial usage. Because they are cheap and abundant, Fe-based catalysts are good alternatives to Ru-based ones. However, synthesis of highly dispersed iron catalyst at very high metal loadings is very challenging since iron tends to sinter quickly to form large nanoparticles. In this respect, using metal organic frameworks (MOFs) as catalyst precursors can offer broad advantages. MOFs are highly porous materials containing high metal content connected with organic linkers. Their decomposition under controlled environment allows for the synthesis of various functional materials such as carbon or carbon supported metal nanoparticles with very high metal loadings as these parent materials includes a high metal content. In this thesis, a serious of Fe-BTC (iron 1, 3, 5- benzene tricarboxylic acid) derived carbon-supported Fe catalysts were synthesized by the pyrolysis under N2 and the resulting catalysts were tested for ammonia decomposition reaction. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) characterization results show that Fe nanoparticle size increases, as the pyrolysis temperature increases. Results further illustrated that these changes in the pyrolysis temperature also modify the surface characteristics of the support. Accordingly, there is a linear relationship (R2 = 0.97) between the graphitic characteristics of the support and the pyrolysis temperature. For the ammonia decomposition reaction, catalysts with small nanoparticle size and high graphitic degree showed a high catalytic activity at 500 °C. Accordingly, at a space velocity of 3000 cm3 NH3 h-1 gcat-1, ammonia conversion was 85.5%, corresponding to a hydrogen production rate of 2.6 mmol H2/gcat/min. These results are among the best performing iron-based catalysts thanks to the high metal dispersion achieved at a relatively high metal loading, exceeding 34 wt%, and a high graphitic degree of the support. Results also illustrate the broad potential of utilizing MOFs as catalysts precursors offering opportunities for obtaining highly dispersed supported metal catalysts at very high metal loadings. Besides, being able to tune the surface characteristics of the carbon support provides additional advantages in the way of optimizing the structure of the active species for high performance.
Benzer Tezler
- Eşzamanlı karbondioksit kullanımı ve hidrojen dönüşümü için nikel-demir bazlı katalizör üzerinde karbondioksitten metan eldesi
CO2 to methane over nickel-iron based catalyst for simultaneous CO2 utilization and hydrogen conversion
BUKET KAPLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER SARIOĞLAN
PROF. DR. ŞAHİKA SENA BAYAZİT
- Yüksek CO2 ayırma performansına sahip metal organik kafes katkılı polimerik membranların geliştirilmesi
Development of metal organic framework-containing polymeric membranes which have high CO2 separation performance
AYŞE KILIÇ AKTOPRAK
Doktora
Türkçe
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY
- Metal organic framework (MOF) based electrocatalytic hydrogen production
Metal organik çerçeve (MOF) bazlı elektrokatalitik hidrojen üretimi
KİNDA JOUNA VETTİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimya MühendisliğiMarmara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATIF KOCA
- Metal organik çerçeve tabanlı azot katkılı yapıların PEM yakıt pillerinde kullanımı
Utilization of metal-organic frameworks based nitrogen-doped structures in PEM fuel cells
MOHAMED ALI MOHAMUD
Doktora
Türkçe
2022
EnerjiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
- Mathematical modeling of sulfur retention in fluidized bed combustors
Akışkan yataklı yakıcılarda kükürt tutunumunun modellenmesi
HAKAN ALTINDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
DR. OLCAY OYMAK
PROF.DR. NEVİN SELÇUK