Borhidrür bileşiklerinden hidrojen eldesinde kullanılmak üzere manyetik katalizörlerin hazırlanması
Preparation of magnetic catalysts for hydrogen generation from borohydride compounds
- Tez No: 987378
- Danışmanlar: PROF. DR. AYHAN ABDULLAH CEYHAN, PROF. DR. ÖMER ŞAHİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Enerji, Chemical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Konya Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında; hidrotermal yöntem kullanılarak sentezlenen demir (III) oksit (Fe₃O₄) tabanlı manyetik nanokompozitler ile bu yapıların yüzeyine çeşitli metaller desteklenerek hazırlanan manyetik nanokompozit katalizörler, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Mo, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Cr, Fe₃O₄@Al₂O₃/Co–Cs, CeO₂@(Cr–Fe/Co) ve Fe₃O₄@CeVO₄ /(Cr–Fe/Co), hidrojen üretimi amacıyla kullanılmıştır. Bu katalizörlerin etkinliği; sodyum borhidrür (NaBH₄) ve potasyum borhidrür (KBH₄) bileşiklerinin hidroliz ve metanoliz reaksiyonları yoluyla gerçekleştirilen hidrojen üretimi süreçlerinde incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında hazırlanan Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığı, NaBH₄'ün metanoliz reaksiyonunda yüksek etkinlik göstermiş ve 30 °C, %1,5 NaBH₄ ve 100 mg katalizör koşullarında 2721,9 ml/gₖₐₜ dk. düzeyinde hidrojen üretim hızı (HGR) elde edilmiştir. Aktivasyon enerjisi 27,18 kJ/mol olarak belirlenmiş; XRD analizi Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığının, ortalama 10,35 nm partikül boyutuna sahip yüksek saflıkta kristal yapıda olduğunu göstermiştir. Yeniden kullanabilirlik deneylerinde, Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığının altı döngü sonunda %99 oranında katalitik aktivitesini koruduğu tespit edilmiştir. Çekirdek malzeme olarak Fe₃O₄'ün kullanıldığı Fe₃O₄@SiO₂ manyetik nanokompoziti hazırlanmış ve NaBH₄ ile KBH₄'ün hidroliz/metanoliz reaksiyonlarında test edilmiştir. Ancak belirgin bir katalitik aktivite gözlemlenmemiştir. Bu sebeple hazırlanan bu yapı üzerine çeşitli metalik katkılı katalizörler hazırlananrak katalitik aktiviteleri incelenmiştr. v Hazırlanan Fe₃O₄@SiO₂/Co-Mo manyetik nanokompozit katalizörü, hem NaBH₄ hem de KBH₄ hidrolizinde yüksek katalitik performans sergilemiştir. Katalizörün ortalama partikül boyutu 100–200 nm aralığında olup, yüzey alanı 26,54 m²/g olarak belirlenmiştir. NaBH₄ hidrolizi, %1 NaBH₄, %7 NaOH ve 100 mg katalizör koşullarında yürütülmüş; bu ortamda 16,4 L/gₘₑₜₐₗ dk. HGR değeri ve 32,18 kJ/mol aktivasyon enerjisi elde edilmiştir. KBH₄ hidrolizi ise %1 KBH₄, %3 KOH ve 100 mg katalizör koşullarında gerçekleştirilmiş olup, 14,5 L/gₘₑₜₐₗ dk. HGR değeri ve 23,72 kJ/mol aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, Co-Mo katkısının Fe₃O₄@SiO₂ manyetik nanokompozitinin katalitik aktivitesini belirgin şekilde artırdığını ortaya koymuştur. Hazırlanan Fe₃O₄@SiO₂/Co-Cr manyetik nanokompozit katalizörünün küresel yapıda ve ortalama 200 nm boyutunda olduğu belirlenmiş olup, yüzey alanı 46,67 m²/g olarak hesaplanmıştır. NaBH₄ hidrolizinde, %7 NaOH, %1 NaBH₄ ve 100 mg katalizör varlığında HGR değeri 22,20 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 20,75 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Katalizörün, altı kez yeniden kullanım sonrasında, katalitik aktivitesini kaybetmediği tespit edilmiştir. Hazırlanan Fe₃O₄@Al₂O₃/Co-Cs manyetik nanokompozit katalizörü, 127,60 m²/g yüksek yüzey alanı ve çiçek benzeri morfolojisiyle karakterize edilmiştir. %1 NaBH₄, %3 NaOH, ve 50 mg katalizör varlığında HGR değeri 17,24 L/ gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 26,65 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Yeniden kullanabilirlik deneylerinden katalizörün dört döngü sonunda yüksek katalitik aktivite gösterdiği belirlenmiştir. Hazırlanan CeO₂@(Cr–Fe/Co) nanokompozitinin küresel yapıda ve 18,53 m²/g yüzey alanına sahip olduğu belirlenmiştir. NaBH₄ hidrolizinde, %1 NaBH₄, %1 NaOH ve 100 mg katalizör varlığınında HGR değeri 13,05 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 18,59 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. KBH₄ hidrolizinde ise %1 KBH₄, %1 KOH ve 50 mg katalizör varlığında HGR değeri 9,06 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 30,02 kJ/mol bulunmuştur. Hazırlanan Fe₃O₄@CeVO₄/(Cr-Fe/Co) manyetik nanokompozit katalizörünün, ortalama 60–70 nm boyut aralığında, küresel yapıda olduğu belirlenmiş olup yüzey alanı 46,34 m²/g tespit edilmiştir. NaBH₄ hidrolizinde, %3 NaOH, %1 NaBH₄, ve 100 mg katalizör varlığında HGR değeri 19,65 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 30,43 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Katalizör, beş döngü sonunda aktivite kaybı göstermeyerek yüksek kararlılık sergilemiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, magnetic nanocomposites based on iron(III) oxide (Fe₃O₄) were synthesized via the hydrothermal method, and various metal-supported magnetic nanocomposite catalysts, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Mo, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Cr, Fe₃O₄@Al₂O₃/Co–Cs, CeO₂@(Cr–Fe/Co) and Fe₃O₄@CeVO₄/(Cr–Fe/Co), were prepared and employed for hydrogen production. The catalytic performance of these catalysts was investigated through hydrogen generation processes based on the hydrolysis and methanolysis of sodium borohydride (NaBH₄) and potassium borohydride (KBH₄). In the first stage of the study, the prepared Fe₃O₄ magnetic nanoparticle exhibited high activity in the methanolysis of NaBH₄, and under the conditions of 30 °C, 1.5% NaBH₄, and 100 mg catalyst, a hydrogen generation rate (HGR) of 2721.9 mL/gkat min was obtained. The activation energy was determined as 27.18 kJ/mol, and XRD analysis showed that the Fe₃O₄ magnetic nanoparticle possessed a highly crystalline structure with an average particle size of 10.35 nm. Reusability tests indicated that the Fe₃O₄ nanoparticle maintained 99% of its catalytic activity after six cycles. The Fe₃O₄@SiO₂ magnetic nanocomposite, in which Fe₃O₄ was used as the core material, was prepared and tested in the hydrolysis and methanolysis reactions of sodium borohydride (NaBH₄) and potassium borohydride (KBH₄); however, no significant catalytic activity was observed. Therefore, various metal-doped catalysts were prepared based on this structure, and their catalytic activities were investigated. The prepared Fe₃O₄@SiO₂/Co–Mo magnetic nanocomposite catalyst exhibited high catalytic performance in both NaBH₄ and KBH₄ hydrolysis. The catalyst had an average particle size in the range of 100–200 nm, and its surface area was determined as 26.54 m²/g. In NaBH₄ hydrolysis, under the conditions of 1% NaBH₄, 7 wt% NaOH, and 100 mg catalyst, an HGR of 16.4 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of vi 32.18 kJ/mol were obtained. In KBH₄ hydrolysis, under the conditions of 1% KBH₄, 3% KOH, and 100 mg catalyst, an HGR of 14.5 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 23.72 kJ/mol were achieved. These results demonstrated that the addition of Co–Mo significantly enhanced the catalytic activity of the Fe₃O₄@SiO₂ magnetic nanocomposite. The prepared Fe₃O₄@SiO₂/Co–Cr magnetic nanocomposite catalyst exhibited a spherical morphology with an average particle size of 200 nm, and its surface area was calculated as 46.67 m²/g. In NaBH₄ hydrolysis, carried out under 7% NaOH, 1% NaBH₄, and 100 mg catalyst, an HGR of 22.20 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 20.75 kJ/mol were determined. The catalyst retained its catalytic performance after six consecutive cycles, indicating high stability. The Fe₃O₄@Al₂O₃/Co–Cs magnetic nanocomposite catalyst was characterized by a high surface area of 127.60 m²/g and a flower-like morphology. Under the conditions of 1% NaBH₄, 3% NaOH, and 50 mg catalyst, an HGR of 17.24 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 26.65 kJ/mol were obtained. Reusability experiments revealed that the catalyst maintained high activity after four cycles. The prepared CeO₂@(Cr–Fe/Co) nanocomposite catalyst exhibited a spherical morphology with a surface area of 18.53 m²/g. In NaBH₄ hydrolysis, conducted under 1% NaBH₄, 1% NaOH, and 100 mg catalyst, an HGR of 13.05 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 18.59 kJ/mol were determined. In KBH₄ hydrolysis, carried out under 1% KBH₄, 1% KOH, and 50 mg catalyst, an HGR of 9.06 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 30.02 kJ/mol were obtained. The prepared Fe₃O₄@CeVO₄/(Cr–Fe/Co) magnetic nanocomposite catalyst exhibited a spherical morphology with an average particle size of 60–70 nm and a surface area of 46.34 m²/g. In NaBH₄ hydrolysis, performed under 3% NaOH, 1% NaBH₄, 100 mg catalyst, and 30 °C, an HGR of 19.65 L/gₘₑₜₐₗ min and an activation energy of 30.43 kJ/mol were obtained. The catalyst showed no activity loss after five cycles, demonstrating high durability.
Benzer Tezler
- Farklı kompozisyonlardaki borat bileşiklerinden, hidrojen depolama ortamı olarak metal borhidrür üretimi ve üretim mekanizmasının incelenmesi
Production of metal borohydride as a hydrogen storage medium from borate compounds at different compositon and investigation of production mechanism
AYSEL KANTÜRK FİGEN
- Tuz bileşiklerinden borhidrür sentezi ve katalitik dehidrojenasyonu
Synthesis of borohydride from saline compounds and its catalytic dehydrogenation
MURAT BİLEN
- Sodyum bor hidrürden hidrojen üretiminde kullanılmak üzere destekli metalik katalizör hazırlanması
Preparation of supported metal catalyst for hydrogen production from sodium borohydride
MİNE YILMAZ
- Sodyum borhidrürün alkolizinden hidrojen üretimi için metal organik çerçeve destekli kobalt-krom katalizörlerinin geliştirilmesi
Development of metal-organic framework supported cobalt-chromium catalysts for hydrogen production from alcoholysis of sodium borohydride
ÖZNUR KARA
- Amonyak boran sentezi ve katalitik olmayan dehidrojenasyonu
Synthesis and non-catalytic dehydrogenation of ammonia borane
RAGIP KIZILTAŞ
