Iron, Cobalt and Nickel-Based Metal Borides as Low-Cost Nanocatalysts for Highly Efficient Hydrolysis of Sodium Borohydride
Yüksek Verimli bir Sodyum Borhidrür Hidrolizi için Ucuz Nanokatalizörler Olarak Demir, Kobalt ve Nikel Bazlı Metal Borürler
- Tez No: 730988
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGE BALCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Günümüz şartlarında ihtiyaç duyulan enerjinin %80'i yenilenemeyen enerji türü olarak da bildiğimiz fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Bu yakıtların yanması sonucunda CO, SO2 ve NOx gibi toksik gazlar oluşmaktadır. Bu gazların başta iklim değişikliği olmak üzere çevre ve insan sağlığı üzerinde bir çok negatif etkileri bulunmaktadır. Enerji ihtiyacını karşılayabilmek için çevre dostu alternatifler araştırılmaktadır. Bunlar arasından hidrojen enerjisi son yıllarda özellikle dikkat çekmektedir. Hidrojenin elde edilebileceği birçok bileşik bulunmaktadır. Bunlar arasından sodyum borhidrür (NaBH4) yüksek gravimetrik hidrojen yoğunluğu, kontrol edilebilir reaksiyon kinetiği, toksik olmaması, yanmaz ve açık havada muhafaza edilmesi kolay olması açısından iyi bir alternatif olarak görülmektedir. Ancak, NaBH4 hidroliz tepkimesinin aktivasyon enerjisi 217 kJ/mol'dür ve görece yüksek bir değerdir. Bu aktivasyon enerjisi değerini düşürebilmek ve daha efektif bir şekilde hidrojen elde edebilmek için tepkime uygun bir katalizör eşliğinde gerçekleştirilmelidir. Geleneksel olarak bilinen platinyum, iridyum, rodyum, rutenyum gibi soymetal katalizörler mükemmel performans sergilese de kısıtlı rezervleri ve yüksek maliyetlerinden dolayı alternatifleri geliştirilmelidir. Geçiş metali borürler, yüksek mukavemet, yüksek sertlik değeri, yüksek kimyasal kararlılık, manyetizasyon özellikleri, iyi aşınma/korozyon dirençleri sayesinde birçok alanda kullanılabilmektedirler. Daha düşük maliyete sahip ve dayanıklı olan geçiş metali borürleri alternatif katalizörler olarak ön plana çıkmaktadırlar. Bu tezde, geçiş metali borürler arasından demir, kobalt ve nikel bazlı metal borürler (Fe–Ni–B ve Co–Ni–B sistemleri) NaBH4'ün hidroliz reaksiyonu için umut vaat eden katalizörler olarak araştırılmak için seçilmiştir. Fe–Ni–B sisteminde, mekanokimyasal yöntem (ardından ıslak öğütme aşaması) ile farklı mol oranlarına sahip katalizör tozlar sentezlenirken, Co–Ni–B sisteminde inorganik ergimiş tuz tekniği kullanılmıştır. Kullanılan yöntemler, nano ölçekli boyutta, homojen parçacık dağılımına ve saf bileşime sahip tozların hazırlanmasına olanak sağlamıştır. Fe–Ni–B sisteminde, Ni3B ve FeB yarı kristalin fazlara, homojen şekle ve 70 nm partikül boyutunda sahip olan toz, dikkate değer bir katalitik performans sergilemiştir. Yüzeyde aktif demir, nikel ve bor türlerinin bulunması, katalitik aktivitenin artmasına katkıda bulunmuştur. Oda sıcaklığında 758 ml H2 min-1 gcat -1 hidrojen üretilebilmiş ve reaksiyonun aktivasyon enerjisi 40.8 kJ/mol'e indirilmiştir. Co–Ni–B sisteminde, homojen morfolojide, yaklaşık 60 nm partikül boyutuna ve saf içeriğe sahip CoB–Ni4B3 kristalin fazlı toz, reaksiyonun aktivasyon enerjisini 32.7 kJ/mol'e düşürerek gelişmiş bir katalitik performans sergilemiştir. Geri dönüştürülebilirlik testlerine göre, her iki sistemdeki nanokatalizör tozlar, 5 ardışık döngü için kullanıldıklarında bile katalitik aktivite sergilemiştir. Soy metallerle rekabet edebilen sentezlenmiş bu katalizörler, yüksek verimli bir NaBH4 hidrolizi için geri dönüştürülebilir, kararlı ve düşük maliyetli malzemeler olarak kabul edilebilir.
Özet (Çeviri)
In today's world, fossil fuels, commonly known as non-renewable energy sources, provide 80 percent of the energy required. Toxic gases such as CO, SO2, and NOx are produced as a result of the combustion of these fuels. These gases have a wide range of harmful consequences for the environment and human health, particularly in terms of climate change. Environmentally friendly solutions are being researched to meet the energy needs. Hydrogen energy, in particular, has received a lot of interest in recent years. Hydrogen could be extracted from a variety of substances. In terms of high gravimetric hydrogen density, controllable reaction kinetics, non-toxicity, non-combustibility, and ease of storage in the open air, sodium borohydride (NaBH4) is a good choice. However, the activation energy of the NaBH4 hydrolysis reaction is 217 kJ/mol, which is a relatively high value. In order to reduce this activation energy value and to obtain hydrogen more effectively, the reaction should be carried out in the presence of a suitable catalyst. Although traditionally known noble metal catalysts such as platinum, iridium, rhodium, and ruthenium show excellent performance, alternatives should be developed due to their limited reserves and very high costs. Due to their high strength, high hardness, high chemical stability, magnetic qualities, and superior wear/corrosion resistance, transition metal borides can be used in a variety of applications. Transition metal borides, which are less expensive and durable, are emerging as a viable alternative catalyst. In this thesis, among transition metal borides, iron, cobalt and nickel-based metal borides (Fe–Ni–B and Co–Ni–B systems) were chosen to investigate as promising catalysts for the hydrolysis reaction of NaBH4. Catalyst powders with varied mole ratios were synthesized using a mechanochemical method (followed by a wet milling step) in the Fe–Ni–B system, while inorganic molten salt technique was used in the Co–Ni–B system. Utilized methods enabled to prepare the powders with nanoscale size and a uniform particle distribution, and pure composition. In the Fe–Ni–B system, the powder having Ni3B and FeB semi-crystalline phases, homogenous shape, and 70 nm particle size displayed a remarkable catalytic performance in this direction. The availability of active iron, nickel and boron species on the surface was contributed to the enhancement of catalytic activity. It was able to produce 758 ml H2 min-1 gcat -1 of hydrogen at room temperature and reduce the activation energy of the reaction to 40.8 kJ/mol. In the Co–Ni–B system, the powder with CoB–Ni4B3 crystalline phases, which had a homogeneous morphology, approximately 60 nm particle size and pure content, exhibited an enhanced catalytic performance with a very low activation energy of the reaction of 32.7 kJ/mol. According to the recyclability tests, nanocatalyst powders in both systems exhibited catalytic activity even when used for 5 consecutive cycles. As-prepared catalysts that can compete with noble metals can be considered as recyclable, stable and low-cost materials for highly efficient hydrolysis of sodium borohydride.
Benzer Tezler
- Nikel bor master alaşımlarının üretimi ve geliştirilmesi
Production and development of nickel boron master alloys
KEREM CAN TAŞYÜREK
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Sülfürlü ve oksitli bileşiklerden ergimiş tuz elektrolizi ile bakır ve alaşımlarının direkt sentezi
Direct synthesis of copper and copper alloys from sulfide/oxide compounds via molten salt electrolysis
LEVENT KARTAL
Doktora
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR
- Yüklü nikel çözeltilerinin saflaştırılması: Sülfatlı ortamda seçimli demir giderimi
Purification of nickel loaded pls: Selective removal of iron content at sulfate media
SU DEMİRBOĞA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYATİ TÜRKMEN
- Manyetik sensör uygulamaları için, nikel tabanlı tek ve çok katmanlı ince filmlerin yapısal, manyetik ve transport özelliklerinin incelenmesi
Investigation of structural, magnetic and transport properties of single and multi layered nickel based thin films for magnetic sensor applications
SALİH AKBULUT
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET YILDIZ