Yeşil hidrojen üretimi için yeni sinerjistik nanokatalizörlerin geliştirilmesi ve katalitik performanslarının belirlenmesi
Development of new synergistic nanocatalysts for green hydrogen production and determination of their catalytic performance
- Tez No: 952931
- Danışmanlar: PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Günümüzde yenilenebilir ve sürdürülebilir hidrojen enerjisine geçişte karşılaşılan en önemli zorluklardan biri, normal ortam koşullarında uygun bir depolama yöntemi bulunamamasıdır. Formik asit (FA), yeşil hidrojenin stabil bir sıvı formda depolanmasına ve talep duyulduğunda uygun maliyetli bir şekilde geri kazanılmasına olanak sağlayan kimyasal bir yapıya sahiptir. Formik Asit Dehidrojenasyonunun (FADH) etkin bir şekilde sürdürülebilmesi için yüksek verimli, kararlı ve seçici yeni katalizörlerin araştırılması gerekmektedir. Çalışma kapsamında, FADH için hem termokatalitik hem de fotokatalitik aktiviteye sahip yüksek verimli heterojen katalizörler geliştirilmiştir. Titanyum glikolattan titanyum oksit formlarına geçiş yapan, farklı sentez ve modifikasyon koşullarına tabi tutulan titanyum glikolat nano-koloid (TGNC), mezogözenekli karbon katkılı titanyum dioksit (m-CDT), mezogözenekli titanyum dioksit (m-TiO2) ve kalsine edilmiş mezogözenekli titanyum dioksit (Cal-mTiO2) gibi çeşitli destek malzemeleri incelenmiştir. Bu desteklerin yüzeyinde aktif merkezleri sabitleyerek partiküllerin kararlılığını, dayanıklılığını, dağılımını ve biyouyumluluğunu iyileştirmek amacıyla, 3-aminopropiltrietoksisilan (APTES) kullanılarak amin fonksiyonel grupları bağlanmıştır. Aminle işlevselleştirilmiş destek yüzeyinde aktif merkezlerin düzgün dağılımını sağlamak amacıyla çok aşamalı bir yerinde çöktürme tekniği kullanılarak paladyum (Pd) ve altın (Au) ultra küçük nanopartiküller tutturulmuştur. Sentezlenen bu nanopartiküllerin FADH tepkimesinde heterojen katalizör olarak performansı karşılaştırılmıştır. İncelenen tüm katalizörler arasında, m-CDT ile desteklenen ve PdAu@APTES@m-CDT olarak adlandırılan katalizör, hem termo-katalitik hem de foto-katalitik deneylerde hidrojene karşı %100 seçicilikle FADH için en iyi katalitik aktiviteyi göstermiştir. BET analizi sonucu katalizörün özgül yüzey alanı (SSA) 230 cm2/g ve ortalama gözenek boyutu 5.19 nm tespit edilmiştir. SEM ve DLS analizlerine göre, ortalama partikül boyutu ~500 nm'dir ve %5 CV ile düzgün küresel bir şekle sahiptir. XRD sonuçları katalizörün yapısındaki titanyum dioksit anataz fazında olduğunu göstermiştir. XPS analizi ile katalizörün destek malzemesinde karbon bulunduğu tespit edilmiştir. Katalizörün çalışma koşullarının optimizasyonu kapsamında dönüşüm frekansı (TOF) termo-kataliz için“20923.9”saat-1 ve foto-kataliz için 1507.7 saat-1 olarak tespit edilmiştir. UV-görünür bölge spektrofotometresi analizi sonucu bant aralığı enerjisi 1.255 eV olarak hesaplanmıştır. Aktivasyon enerjisi deneysel verilere bağlı olarak bir Arrhenius grafiği oluşturularak 45.22 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
One of the most important challenges facing transition to renewable and sustainable hydrogen energy nowadays is the need for a convenient storage medium at ambient conditions. Formic Acid (FA) offers a stable liquid chemical structure to store green hydrogen and release it on demand in a cost-effective process. In order to maintain efficient Formic Acid Dehydrogenation (FADH), highly active, robust, stable and selective new catalysts should be investigated. In the scope of this thesis, highly efficient heterogeneous catalysts with both thermo- and photo- catalytic activities were aimed to be developed and synthesized for effective formic acid dehydrogenation (FADH). The study explores a variety of titanium-based support materials, transitioning from glycolate to oxide forms, subjected to distinct synthetic and treatment conditions. Titanium Glycolate Nano-Colloids (TGNCs), mesoporous Carbon-Doped Titania (m-CDT), mesoporous titanium dioxide (m-TiO2), and Calcinated mesoporous titanium dioxide (Cal-mTiO2) were the supports utilized to anchor the active sites. Subsequently, all the synthesized supports were treated by 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) to introduce amine-functionalization to their surfaces in order to improve the immobilization of the active sites which in turn enhance the stability, durability, dispersion, and biocompatibility of the particles. Palladium (Pd) and Gold (Au) ultrafine nanoparticles were anchored on the surface of the amine-functionalized supports via a multi-stage in-situ precipitation technique which allowed for the uniform distribution of the active sites on the surface of the supports to yield the desired catalysts. Accordingly, these catalysts were subsequently evaluated for their efficiency in promoting FADH and their catalytic performances were examined and compared in order to choose the most effective one. Among all tested catalysts, the one supported with m-CDT and denoted as PdAu@APTES@m-CDT exhibited the best catalytic activity for the dehydrogenation of formic acid (FA) with 100% selectivity towards hydrogen in both thermo-catalytic and photo-catalytic experiments. Comprehensive characterization using the BET method was conducted to reveal the Specific Surface Area (SSA) and the average pore size of the catalyst to be 230 cm2/g , and 5.19 nm respectively. According to SEM and DLS analysis, the average particle size was revealed to be ~ 500 nm of a uniform spherical shape with a CV% of 5%. XRD results revealed the Anatase phase of the existing titanium dioxide in the structure of the catalyst and XPS analysis detected the existence of carbon in the structure of the supporting material of the catalyst. Necessary experiments were conducted to find the optimum conditions that the catalyst can function at. Further optimization studies identified the ideal operational conditions for the catalyst, under which it delivered exceptional Turnover Frequency (TOF) values of“20923.9 ”h-1 for thermo-catalysis and 1507.7 h-1 for photo-catalysis. Analysis using UV-visible spectrophotometer revealed the band gap energy of the catalyst to be 1.255 eV whereas the activation energy was calculated by constructing an Arrhenius plot depending on the experimental data to be 45.22 KJ/mol.
Benzer Tezler
- Nanoceria katalizörü ile üretilen reaktif türlerin süpürülme etkinliğinin ölçümü için yöntem geliştirilmesi
Development of a novel method to measure the scavenging activity of reactive species produced using nanoceria as a catalyst
GÖZDE MEDİHA KAMER
Doktora
Türkçe
2019
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİRSEN DEMİRATA ÖZTÜRK
- Synthesis and encapsulation of nanosilica with poly(AAm-ko-AMPS) and application on viscose fabric for pilling
Nanosilika sentezi ve poli(AAm-ko-AMPS) ile kapsüllenmesi,viskon kumaşların tüylenme sorununun giderilmesi
EBRU ÇELEBİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Alüminyum alaşımlarından güneş enerjisi destekli elektrokimyasal reaksiyon sistemi kullanılarak yeşil mikro hidrojen üretimi
Green micro-hydrogen production from aluminum alloys using solar energy assisted electrochemical reaction system
AYDIN DANACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Enerjiİskenderun Teknik ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURAY KÜP AYLIKCI
- The investigation of the economical aspect of clean hydrogen production with small modular reactors
Nükleer enerji kullanımıyla temiz hidrojen üretiminin ekonomik olarak incelenmesi
EMRE SÖNMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Assessment of green hydrogen production and hybrid renewable energy system for seasonal residential area
Mevsimlik yerleşim alanı için yeşil hidrojen üretimi ve hibrit yenilenebilir enerji sisteminin değerlendirilmesi
OĞUZHAN HAHOLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖNDER GÜLER