Geri Dön

Unraveling structure-functionality relationships of shape-defined Cu2O nanocrystal model catalysts for methanol decomposition

Metanol bozunması için şekil tanımlı Cu2O nanokristal model katalizörlerin yapı-fonksiyonellik ilişkilerinin aydınlatılması

  1. Tez No: 898116
  2. Yazar: KAAN KARACA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EMRAH ÖZENSOY
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 106

Özet

Metanol, formaldehit, metil metakrilat, metil tersiyer-bütil eter/tersiyer-amilmethileter ve asetik asit gibi değerli kimyasalları üretmek amacıyla kullanılan, kimya endüstrisinin önemli C1 yapı taşlarından biridir. Metanol üretiminde küresel talebin, metanolün endüstriyel olarak önem arz eden alanlardaki uygulamaları nedeniyle katlanarak artması beklenmektedir. Bu uygulamalar arasında hidrojen üretimi, doğrudan metanol yakıt hücreleri (DMFC) ve Metanol'den Olefinlere (MTO) gibi prosesler yer almaktadır. Literatürde, metanol ile heterojen katalizörlerin etkileşimini daha iyi anlamak amacıyla Cu katalizörler yaygın olarak incelenmiştir. Bu çalışmalar, ultra-yüksek vakum (UHV), kriyojenik sıcaklık koşulları altında tek kristal nano katalizörler kullanılarak veya endüstriyel koşullara yakın, yüksek sıcaklık-basınç koşulları altında kompleks mezo-gözenekli katalizörler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu durum, mekanistik çalışmalarda artan bir karmaşıklığa ve heterojen kataliz alanında iyi bilinen“malzeme uçurumu”ve“basınç uçurumu”sorunlarına neden olmaktadır. Bu nedenle model katalizörler, yüksek düzenliliğe sahip yüzeyleri ve oda koşullarında incelenebilmeleri sebebiyle bu sorunlara bir çözüm olarak kullanılmaktadır. Bu tez, metanol bozunması sırasında, iyi-tanımlı şekillere sahip Cu2O model katalizörlerinin, katalitik yapı-işlev ilişkilerine odaklanmaktadır. Bu çalışmada, kübik ve oktahedral şekillere sahip Cu2O nano kristal model katalizörler sentezlenmiş ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), X-Işını Kırınımı (XRD), X-Işını Absorpsiyonu Yakın Kenar Yapısı (XANES), Genişletilmiş X-Işını Absorpsiyonu İnce Yapısı (EXAFS), Zayıflatılmış Toplam Yansıma Kızılötesi Spektroskopisi (ATR-IR), X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ve H2-Sıcaklık Programlı İndirgeme (H2-TPR) gibi çeşitli ex-situ yöntemlerle karakterize edilmiştir. Yüzeydeki aktif bölgelerin doğası, in-situ Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (in-situ FTIR) ile CO adsorpsiyonu aracılığıyla karakterize edilmiştir. Ayrıca, morfolojiye bağlı metanol ve formaldehit bozunması in-situ FTIR ve Sıcaklık Programlı Desorpsiyon (TPD) aracılığıyla incelenmiştir Bu çalışmanın bulguları, metanol bozunmasının daha iyi anlaşılmasını sağlamayı ve şekli tanımlanmış Cu2O katalizörleri arasındaki yapı-fonksiyonellik ilişkisini açıklamayı amaçlamaktadır. Sonuçlar, c-Cu2O yüzeyinden kolayca bağışlanabilen yüzey oksijenlerinin, düşük sıcaklıkta (T ≤ 250 °C) metanol/metoksi oksidasyonunu gerçekleştirerek format oluşturduğunu ve bu türlerin çoğunlukla CO2 ve H2O'ya ayrışarak total oksidasyon ürünlerini meydana getirdiğini göstermektedir. Buna karşılık, o-Cu2O yüzeyinin sınırlı indirgenebilirliği, metanol/metoksi oksidasyonunun önce formaldehit, ardından dioxymethylene oluşturduğu ve nihayetinde CO ve H2'nin termal ayrışma ürünleri olarak ortaya çıktığı gözükmektedir. Bu durum, total oksidasyondan ziyade katalitik dehidrojenasyon yollarının baskın olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlara dayanarak, şekil tanımlı Cu2O nanokristal model katalizörlerinin metanol ayrışmasındaki yapı-fonksiyon ilişkileri ortaya çıkarılmaktadır.

Özet (Çeviri)

Methanol is one of the centerpieces of the chemical industry as a C1 building block and an intermediate producing high-value chemicals such as formaldehyde, methyl methacrylate, methyl tertiary-butyl ether/ tertiary-amylmethylether, and acetic acid. The global demand for methanol is expected to grow exponentially due to its applications in hydrogen production, direct methanol fuel cells, and olefin production via the Methanol to Olefins (MTO) processes. Cu-based catalysts have been widely studied both in academia and in the industry to transform methanol into value-added chemicals at the industrial scale. Some of these academic fundamental research studies have been performed either under ultra-high vacuum (UHV), cryogenic temperature conditions utilizing single-crystal nanocatalysts or under industrially relevant high temperature-pressure conditions utilizing complex mesoporous catalysts resulting in complex data which is challenging to analyze in a conclusive manner to obtain reliable mechanistic information due to the presence of the well-known limitations in heterogenous catalysis called“the materials gap”and“ the pressure gap”. Thus, uniquely defined model catalysts are required to bridge these gaps by offering well-ordered surfaces that can be studied under ambient conditions. This thesis focuses on the structure-functionality relationships of shape-defined Cu2O model catalysts for methanol decomposition. Cubic and octahedral Cu2O nanocrystal catalysts were synthesized and characterized by various ex-situ methods such as Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Absorption Near Edge (XANES), Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFS), Attenuated Total Reflectance Infrared Spectroscopy (ATR-IR), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and H2-Temperature Programmed Reduction (H2-TPR). The nature of the surface-active sites were characterized by CO adsorption via in-situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (in-situ FTIR) and the morphology-dependent methanol and formaldehyde decomposition properties were studied via in-situ FTIR and Temperature Programmed Desorption (TPD). The results showed that c-Cu2O and o-Cu2O have distinct structure-functionality relationships for methanol decomposition. It is proposed that the labile surface oxygens that can be readily donated from the c-Cu2O surface can facilitate low-temperature (T ≤ 250 °C) methanol/methoxy oxidation to formates which in turn yield predominantly CO2 and H2O as the total oxidation products. In contrast, limited reducibility of the c-Cu2O surface only allows methanol/methoxy oxidation to first formaldehyde and then to dioxymethylene, eventually yielding predominantly CO and H2 as the thermal decomposition products, indicating the predominance of dehydrogenation catalytic pathways rather than total oxidation thus, unraveling the structure-functionality relationships of shape-defined Cu2O nanocrystal model catalysts for methanol decomposition.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    865214

    Elazığ - Sivrice ve Gezin civarının yeraltı yapısının gravite verileri kullanılarak modellenmesi

    Modelling of the subsurface structures of Elazığ - Sivrice and Gezin region by using gravity data

    NEDİM GÖKHAN AYDIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY İŞSEVEN

  2. Tez No

    286421

    From yeast to human: Unraveling sphingolipid metabolism through macroscopic and microscopic analyses

    Mayadan insana: Makroskopik ve mikroskopik analizlerle sfingolipid metabolizmasının incelenmesi

    FATMA BETÜL KAVUN ÖZBAYRAKTAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. KUTLU Ö. ÜLGEN

  3. Tez No

    875094

    Dolgu duvarların asma katlı çerçeveli betonarme yapıların davranışı üzerindeki etkisi

    Effect of the infill wall of structure with mezzanine floor on structural behaviour

    VESSAM ALMANNAA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET ZEKİ ÖZYURT

  4. Tez No

    811358

    Molecular insights into the surface of thermoalkalophilic lipases toward unraveling the interplay between thermostability and oligomerization

    Termostabilite ve oligomerizasyon arasındaki etkileşimi çözmeye yönelik termoalkalofilik lipazların yüzeyine moleküler çıkarımlar

    İLAYDA AMANOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyoistatistikAcıbadem Mehmet Ali Aydınlar Üniversitesi

    Biyoistatistik ve Biyoinformatik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMEL TİMUÇİN

  5. Tez No

    877536

    Computational prediction and experimental demonstration of dimerization and polymerization in the ZBTB protein family

    ZBTB protein ailesinde dimerizasyon ve polimerizasyonun hesaplamalı tahmini ve deneysel gösterimi

    EGE EZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyolojiBoğaziçi Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BATU ERMAN

Geri Dön