Graphene aerogels decorated with metal (ru and ni) nanoparticles as high-performance catalysts for cox-free production of hydrogen from ammonia decomposition
Cox emisyonu olmadan amonyak ayrıştırması ile hidrojen üretimi için yüksek performans katalizörler olarak metal nanoparçacıkları (ru ve ni) ile dekore edilmiş grafen aerojeller
- Tez No: 671369
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER UZUN, DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Fosil yakıtların kullanımını ve olumsuz sonuçlarını azaltmak için en çok umut vadeden alternatif enerji kaynaklarından biri hidrojendir. Ancak, hidrojenin depolanması ve taşınması sert koşullar gerektirir. Bu sorun hidrojenin amonyak içerisinde kimyasal olarak depolanmasıyla aşılabilir çünkü amonyak yüksek hidrojen yüzdesi, iyi bilinen altyapı sistemi ve karbon içermeyen elementel içeriği gibi avantajları sunar. Kısıtlı miktarda bulunabilen ve dolayısıyla fiyatı yüksek olan Rutenyum amonyak ayrıştırma tepkimesi için en aktif metaldir. Dolayısıyla, bu değerli metalin verimli kullanımı katalizörlerin tasarımında kritik önem taşımaktadır. Buna ek olarak, nikel ise en aktif ikinci metaldir ve daha fazla bulunabilir olmasından ötürü fiyatı da rutenyumdan daha ucuzdur. Fakat, amonyak ayrıştırmasında yüksek tepkime hızlarına ulaşabilmek için nikel bazik ve yüksek yüzey alanına sahip destek malzemesine ihtiyaç duyar. Bu tez çalışmasında, grafen aerojel (GA) yüksek spesifik yüzey alanı, yüksek oranda porlu üç boyutlu yapısı, yüksek elektriksel iletkenliği ve oksijen içeren fonksiyonel grupların bolluğu ile umut vadeden bir katalizör destek malzemesidir ve bu çalışmada rutenyum ve nikel nanoparçacıklarına destek malzemesi olarak amonyak ayrıştırma tepkimsinden COx emisyonu olmadan hidrojen üretiminde yüksek katalitik aktivite elde etmek amacıyla kullanılmıştır. İlk olarak, bir Ru katalizör ailesi amonyak ayrıştırma tepkimesinden yüksek performans elde etmek için Ru'yu GA üzerine yüksek kütlesel yüklemelerde dağıtarak üretilmiştir. Amonyak ayrıştırma tepkimesi katalitik performans ölçümleri, GA destekli, kütlesel %13.6 Ru yüklenmiş katalizörün 30,000 mL NH3 gkat-1 sa-1'de ve 450 °C'de %71.5'lik bir amonyak dönüşüm değeri elde edilmiştir ve bu değer 21.9 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir. K eklemesi ise aynı tepkime koşulları altında, rekor yükseklikte amonyak dönüşüm değeri olan %97.6 elde edilinmesini sağlamıştır ve bu değer 30.0 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir ve bu katalizörün en az 80 saat stabil çalıştığı gösterilmiştir. Katalizörlerin dönüşüm devir sıklığı kıyaslaması ise K eklemesinin katalizördeki aktif Ru alanlarının sayısını ve bunların tepkimeye girmeye uygun elektron yoğunluğunu artırdığını göstermiştir. İkinci olarak, üç farklı pH değerine sahip, üç farklı nikel öncü çözeltisi GA'ya nikel yükleyerek katalizör eldesi için kullanılmıştır ve bu katalizörler amonyak ayrıştırma tepkimesinde kullanılmıştır. Karakterizasyon ve katalitik performans ölçümleri en iyi dağılımlı ve en homojen Ni nanoparçacıklarının ve en iyi katalitik performansın Ni (II) acetylacetonate (Ni(acac)2) öncü kimyasalı kullanılarak ulaşıldığını göstermiştir. Ni(acac)2 ile hazırlanan ve daldırma çözeltisi pH'ı 10.2 olan GA destekli Ni katalizöründe ortalama Ni nanoparçacık boyutu 13.6 ± 4.3 nm olarak gözlemlenmiştir. Kütlesel %11.1 Ni yüklü bu katalizör, 30,000 mL NH3 gkat-1 sa-1'de ve 600 °C'de %70.2'lik amonyak dönüşüm değeri sağlamıştır ve bu değer 21.5 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir. Elde edilen veriler Ni öncü kimyasalının daldırma çözeltisinin pH'ına etki ettiği ve pH'ın da nanoparçacık dağılımı kadar katalitik aktiviteyi etkileyen ana faktörlerden olduğunu göstermiştir. Ayrıca, sıfır yük noktası (PZC) ile daldırma çözeltisi pH'ı arasındaki farkı kontrol etmenin de amonyak ayrıştırma tepkimesinde katailitik performansı etkilediği gösterilmiştir. Sonuç olarak, Ni(acac)2 ile hazırlanan daldırma çözeltisi Ni(NO3)2.6H2O ile hazırlanandan daha yüksek pH'a sahip olduğundan, en iyi katalitik özellikleri Ni(acac)2 ile hazırlanan katalizör göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Hydrogen is one of the most promising alternative energy sources to reduce the consumption of fossil fuels and their negative consequences. However, storage and transportation of hydrogen require harsh conditions, which can be overcome by storing hydrogen chemically in ammonia thanks to the advantages it offers, such as high hydrogen content, well-established infrastructure, and more importantly carbon-free elemental composition. Ruthenium is the most active metal for ammonia decomposition, which suffers from scarcity and high cost. Therefore, efficient use of this precious metal is crucial in design of the catalysts. Furthermore, nickel is the second most active metal for ammonia decomposition, and it is widely utilized owing to its broader availability and much lower cost than ruthenium. However, it requires a basic support with high surface area to reach high rates for ammonia decomposition. In this thesis study, to overcome these challenges, graphene aerogel (GA), a promising support material with high specific surface area, highly porous three-dimensional structure, high electrical conductivity, and abundant oxygen-containing functional groups, was utilized as a support to disperse both Ru and Ni nanoparticles to be able to reach high catalytic activity in COx-free hydrogen production from ammonia. Firstly, a family of Ru catalyst was prepared by dispersion of Ru on GA at high loadings to achieve a high performance in ammonia decomposition. Catalytic performance measurements on ammonia decomposition showed that the GA-supported catalyst with a Ru loading of 13.6 wt% provides an ammonia conversion of 71.5% at a space-velocity of 30,000 mL NH3 gcat-1 h-1 and at 450 °C, corresponding to a hydrogen production rate of 21.9 mmol H2 gcat-1 min-1. The addition of K increased the ammonia conversion to a record high value of 97.6% under identical conditions, reaching a hydrogen generation rate of 30.0 mmol H2 gcat-1 min-1, demonstrated to be stable for at least 80 h. A comparison of the turnover frequencies of catalysts indicated that this increase in performance upon the addition of K originated from an increase in the number of the active Ru sites and the corresponding electron density available for reaction. Secondly, three different Ni precursors with different pH of impregnation solutions were used to load Ni nanoparticles on GA as catalysts for ammonia decomposition to utilize the correct precursor based on the surface characteristics. Characterization and catalytic performance measurements on ammonia decomposition showed that the best dispersion and homogeneity, as well as catalytic performance were achieved with Ni (II) acetylacetonate (Ni(acac)2) precursor. An average Ni nanoparticle size of 13.6 ± 4.3 nm was obtained on the GA-supported Ni catalyst prepared by using Ni(acac)2 precursor and an impregnation solution with a pH of 10.2. This catalyst with a Ni loading of 11.1 wt% provided an ammonia conversion of 70.2% at a space velocity of 30,000 mL NH3 gcat-1 h-1 and 600 °C corresponding to a hydrogen production rate of 21.5 mmol H2 gcat-1 min-1. Data illustrated that the Ni precursor determines the pH of the impregnation solution, and the pH is one of the major parameters affecting the average Ni nanoparticle size and homogeneity of nanoparticles as well as the catalytic activity. Also, controlling the surface characteristics and interaction between support material and corresponding metal enhance the catalytic performance of ammonia decomposition. As a result, since impregnation solution prepared via Ni(acac)2 has the highest pH as ammonia decomposition is more favorable with basic catalysts, it provided better catalytic properties than impregnation solution prepared via Ni(NO3)2.6H2O.
Benzer Tezler
- Graphene (oxide) – metal/metal (hydr)oxide composites: Synthesis and applications in electrochemical energy storage and conversion
Grafen (oksit) - metal/metal (hidr)oksit kompozitleri: sentezi ve elektrokimyasal enerji depolama ve dönüşümü için uygulamaları
FERİHA EYLÜL ÖZTUNA
Doktora
İngilizce
2018
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Synthesis of graphene aerogel and its applications
Grafen aerojel sentezlenmesi ve uygulamaları
ECEM ÇELİK
- Modification of the structure of graphene aerogels by reduction: Consequences on catalytic properties, as carbocatalysts and as supports for atomically dispersed iridium
Başlık çevirisi yok
KAAN YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER UZUN
- PEM yakıt pilleri için grafen aerojel sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of graphene aerogel for PEM fuel cells
MERYEM SAMANCI
Doktora
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
- Consequences of thermal treatments in flowing ammonia on the surface characteristics of graphene aerogel
Başlık çevirisi yok
FULYA ERDEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER UZUN
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL