Geri Dön

Spinel yapılı nanokompozit tozların üretimi ve karakterizasyonu

Production and characterization of spinel structured nanocomposite powders

PDF İndir

  1. Tez No: 998929
  2. Yazar: DUYGU YEŞİLTEPE ÖZÇELİK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Kimya Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Atmosferdeki karbondioksit (CO2) seviyeleri endüstriyel faaliyetler, fosil yakıt kullanımı ve ormansızlaşma gibi insan faaliyetlerinin bir sonucu olarak artmaktadır. 2021 yılı itibarıyla, atmosferdeki CO2 seviyeleri yaklaşık 415 ppm olarak kaydedilmiştir. Bu seviye, son 800.000 yılda görülmüş en yüksek değerdir. Bilim insanları, atmosferdeki CO2 seviyelerinin artmasının ve diğer sera gazlarının atmosferde birikmesinin, küresel ısınma ve iklim değişikliği üzerinde önemli etkileri olduğunu belirtmektedir. Ayrıca, hükümetler ve uluslararası kuruluşlar, CO2 emisyonlarını azaltarak iklim değişikliği ile mücadele etmek için politika ve önlemler geliştirmeye devam etmektedirler. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (The Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 2023 raporuna göre, dünya hızla fosil yakıtların kullanımından vazgeçmelidir. Devam eden sera gazı emisyonları, dikkate alınan senaryolar ve modellenen yollarla yakın vadede küresel ısınmanın artmasına sebep olacaktır. 1,5 °C' ye (>%50) kadar ısınmayı sınırlayan tüm küresel model yolları, aşım olmadan veya sınırlı aşım ile birlikte, bu on yılda tüm sektörlerde hızlı ve acil sera gazı emisyonlarında azalmayı gerektirmektedir. Bu model kategorileri için küresel net sıfır CO2 emisyonlarına 2050' lerin başlarında ulaşılabilir. CO2 metanasyon reaksiyonu, atmosferdeki karbondioksit seviyelerinin azaltılması ve iklim değişikliği ile mücadelede önemli bir yöntem olarak değerlendirilmiştir. Bu reaksiyon, karbondioksitin (CO2) ve hidrojenin (H2) metana (CH4) dönüştürülmesini içeren ekzotermik bir süreçtir. Metanasyon reaksiyonları, karbon yakalama ve kullanma süreçlerinde, yenilenebilir enerji sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonunun genel denklemi şu şekildedir: CO2+ 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) ∆𝐻298K=−164kJ/mol CO2 metanasyon reaksiyonunun, katalizör ve deneysel koşullara bağlı olarak genellikle 200 °C ile 450 °C sıcaklık aralığında gerçekleştiği belirlenmiştir. Yakın geçmişte konuyla ilgili birkaç makale yayınlanmış olmasına rağmen, esas olarak hız belirleme adımında yer alan ara bileşiğin belirlenmesindeki belirsizlik nedeniyle, reaksiyonun çalışma mekanizması hakkında genel bir fikir birliği yoktur. CH4, doğal gazın ana bileşeni olup daha düşük sera gazı etkisi potansiyeline sahip olması nedeniyle sürdürülebilir enerji sistemleri açısından önemli bir enerji taşıyıcısı olarak değerlendirilmiştir. Bu nedenle, araştırmacılar ve endüstri uzmanları, CO2 metanasyonu teknolojilerinin geliştirilmesi ve uygulanması üzerinde çalışmaktadır. Ancak, bu teknolojilerin daha geniş çapta benimsenmesi ve ticarileştirilmesi için daha fazla gelişme ve maliyet azaltma gerekmektedir. Buna ek olarak, katalizör deaktivasyonu, sınırlı seçicilik ve yüksek dönüşüm oranlarında düşük uzun vadeli kararlılık gibi zorlukların da giderilmesi gerekmektedir; böylece endüstriyel koşullarda güvenilir bir performans sağlanabilir. Bu reaksiyon genellikle yüksek sıcaklık ve basınçlarda gerçekleştirilmektedir ve reaksiyon hızını artırmak için bir katalizörün varlığına ihtiyaç duyulmaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonlarında yaygın olarak kullanılan katalizörler, alümina (Al2O3) veya silika (SiO2) gibi çeşitli malzemeler üzerinde desteklenen nikel (Ni) ve kobalt (Co) gibi geçiş metallerini içermektedir. Bu katalizörler, reaktanların daha verimli bir şekilde adsorbe edilebileceği ve kimyasal dönüşümlere girebileceği aktif bölgeler sağlamaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonu ekzotermiktir, yani ısı açığa çıkartmaktadır. Bu özellik, endüstriyel atık ısı veya güneş/rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji sistemleri gibi aşırı ısının mevcut olduğu süreçlerde ısı entegrasyonu için uygun hale getirmektedir. CO2' yi değerli bir enerji taşıyıcısı olan CH4' e dönüştüren reaksiyon, sera gazı emisyonlarını azaltmaya yardımcı olurken kullanılabilir bir yakıt sağlamaktadır. Günümüzde endüstriyel sentezlerin çoğu gibi CO2 metanasyon reaksiyonu da katalizör gerektirmektedir ve bu nedenle katalitik malzemeler üzerindeki araştırmalar uygun katalizörlerin geliştirilmesi için önem arz etmektedir. Heterojen katalizde, uygun katalizörlerin çoğu aktif bileşen/bileşenlerden ve destek malzemesinden oluşmaktadır. Genel olarak katalizör destekleri, katalizörün dağılımını, spesifik yüzey alanını ve stabilitesini artıran aktif bileşen/bileşenler için bir konak olarak kullanılmaktadır. Spesifik yüzey alanı, gözeneklilik, partikül boyutu ve şekli, mekanik ve termal kararlılık, katalizör desteklerinin uygunluğunu belirleyen en önemli özelliklerdir. Son yıllarda, yüksek termal stabiliteye ve yapısal çok yönlülüğe sahip taşıyıcılara olan talep nedeniyle, spinel oksitler de dâhil olmak üzere seramik tabanlı sistemlere olan ilginin arttığı belirlenmiştir. Spinel faz içeren kompozit malzemeler; yüksek sıcaklık stabilitesi, kimyasal dayanım, aşınma direnci, düşük termal genleşme katsayısı ve optik geçirgenlik gibi üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri sayesinde ileri teknolojilere yönelik birçok uygulamada tercih edilmektedir. Spinel yapıların oluşumu; sıcaklık, süre ve kullanılan öncül maddeler gibi birçok parametreye bağlı olduğu literatürde gösterilmiştir. Özellikle oksit bazlı sistemler, şeffaf seramik malzemeler arasında geniş bir uygulama alanına sahiptir. Oksit temelli şeffaf seramikler; florür bileşiklerine kıyasla daha yüksek mekanik dayanım, oksit olmayan sistemlere göre ise daha yüksek kimyasal kararlılık göstermektedir. Ayrıca, spinel malzemelerin bileşim ve morfolojilerinin özelleştirilebilme yeteneği; fotonik, katı oksit yakıt pilleri ve heterojen kataliz gibi alanlarda yeni olanaklar sunmuştur. Yapılan literatür incelemeleri, MgAl2O4 ve NiAl2O4 gibi spinel yapılı nanokompozitlerin sentezinde hidrotermal ve kimyasal yöntemlerin yaygın olarak kullanıldığını göstermiştir. Bu tez çalışmasında ise, üç farklı kimyasal üretim yöntemi, ultrasonik sprey piroliz (USP), sol–jel ve çözelti yanma sentezi (SCS), ile MgAl2O4 ve NiAl2O4 tozları sentezlenmiştir. Özellikle SCS yönteminin kısa reaksiyon süresi, düşük enerji tüketimi ve yüksek ürün verimi sunduğu belirlenmiştir. USP ve sol–jel yöntemleri ile elde edilen numunelerin kontrollü morfoloji ve homojen yapı özellikleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bu yöntemler doğru şekilde optimize edilerek, elde edilen spinel malzemelerin hem yapısal hem de katalitik özelliklerinde önemli iyileşmeler sağlanmıştır. Tez kapsamında, yüksek saflıkta nitrat tuzlarından hazırlanan başlangıç çözeltileri kullanılarak nano/mikron-altı boyutta MgAl2O4 ve NiAl2O4 tozları sentezlenmiş; ardından sentezlenen bu yapıların XRD, BET, SEM/EDS, TEM, TGA, FT–IR gibi analiz teknikleriyle yapısal ve morfolojik karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Böylece üretim yöntemi–malzeme yapısı ilişkisi ortaya konularak sentez parametreleri optimize edilmiştir. Bu değerlendirmeler, kontrollü fizikokimyasal özelliklere sahip yüksek performanslı katalizör desteklerini elde etmek için en etkili sentez yönteminin belirlenmesine temel oluşturmuştur. Üretilen MgAl2O4 ve NiAl2O4 spinel tozlar, ileri uygulamalar açısından özellikle katalizör destek malzemesi olarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda yaş emprenye (wet impregnation) yöntemiyle geçiş metalleri (ör. Ni, Fe, Co) veya nadir toprak elementleri (ör. La, Ce, Ga) bu desteklere yüklenerek katalizör sistemleri oluşturulmuş ve bu sistemlerin katalitik performansları deneysel olarak test edilmiştir. Bu sayede, spinel yapıların enerji dönüşüm uygulamalarındaki potansiyeli ortaya konmuştur. Bu tez çalışmasında, spinel bazlı katalizör desteklerinin sentez–yapı–performans ilişkisi sistematik olarak incelenmiştir. Ayrıca, küresel iklim sorunlarına yönelik artan aciliyet göz önüne alındığında, yalnızca verimli ve kararlı değil, aynı zamanda ekonomik olarak uygulanabilir katalizör sistemlerinin geliştirilmesinin büyük önem taşıdığı ortaya konmuştur. Özelleştirilmiş yüzey özelliklerine ve metal bileşimlerine sahip nano-yapılı spinel desteklerin entegrasyonunun, katalitik aktivite ve seçiciliğin optimize edilmesi açısından etkili bir yaklaşım olduğu belirlenmiştir. Bu alandaki çalışmaların, malzeme bilimi, kataliz mühendisliği ve çevre teknolojilerini bir araya getiren disiplinlerarası yaklaşımlarla ilerlediği görülmüştür. Bu tez çalışması, spinel bazlı katalizör desteklerinin sentez–yapı–performans ilişkilerini sistematik olarak inceleyerek, düşük karbonlu enerji sistemlerine geçişe yönelik literatüre özgün ve uygulanabilir bir katkı sağlamıştır.

Özet (Çeviri)

Atmospheric carbon dioxide (CO2) degrees have been increasing as a result of human activities such as industrial operations, fossil fuel consumption, and deforestation. As of 2021, atmospheric CO2 concentrations were recorded at approximately 415 ppm, the highest level observed in the past 800,000 years. Scientists emphasize that the increase in CO2 concentrations, along with the accumulation of other greenhouse gases in the atmosphere, has significant effects on global warming and climate change. Furthermore, governments and international organizations continue to develop policies and measures to reduce CO2 emissions and combat climate change. According to the 2023 report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the world must rapidly phase out fossil fuel use. Continuing greenhouse gas emissions, under considered scenarios and modeled pathways, will lead to an increase in global warming in the near term. Each increment of global warming will intensify multiple and simultaneous hazards. All global model pathways that limit warming to 1.5 °C (with >50% probability), with or without limited overshoot, require rapid, deep, and in most cases immediate reductions in greenhouse gas emissions across all sectors within this decade. For these pathway categories, global net zero CO2 emissions could be reached in the early 2050s. The CO2 methanation reaction has been considered an important approach for reducing atmospheric carbon dioxide levels and combating climate change. This reaction is an exothermic process involving the conversion of carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2) into methane (CH4). Methanation reactions are widely used in carbon capture and utilization processes and renewable energy systems. The overall reaction equation for CO₂ methanation is given as follows: CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) ∆𝐻298K = −164 kJ/mol The CO2 methanation reaction is generally reported to occur within a temperature range of 200 °C to 450 °C, depending on the catalyst and experimental conditions. Although several studies on this subject have been published in recent years, there is still no general consensus regarding the reaction mechanism, mainly due to uncertainties in identifying the intermediate species involved in the rate-determining step. CH4 is the main component of natural gas and has a lower global warming potential, thus offering a promising approach toward contributing to a more sustainable energy system. For this reason, researchers and industry experts are working on the development and implementation of CO2 methanation technologies. However, wider adoption and commercialization of these technologies require further advancements and cost reductions. Additionally, challenges such as catalyst deactivation, limited selectivity, and low long-term stability at high conversion rates still need to be addressed to ensure reliable performance under industrial conditions. Similar to most industrial syntheses today, the CO2 methanation reaction requires a catalyst, making research on catalytic materials crucial for the development of suitable catalysts. In heterogeneous catalysis, most appropriate catalysts consist of active component(s) and a support material. In general, catalyst supports serve as a host for the active component(s), enhancing dispersion, specific surface area, and stability. Properties such as specific surface area, porosity, particle size and morphology, as well as mechanical and thermal stability, are the most important factors determining the suitability of catalyst supports. In recent years, the demand for more thermally stable and structurally versatile supports has further increased the focus on ceramic-based systems, including spinel oxides. Composite materials containing spinel phases are widely preferred in advanced technological applications due to their superior physical and chemical properties such as high-temperature stability, chemical resistance, wear resistance, low thermal expansion coefficient, and optical transparency. The formation of spinel structures depends on various parameters including temperature, duration, and precursor composition. Especially oxide-based systems have broad application potential among transparent ceramic materials. Compared to fluorides, oxide ceramics offer higher mechanical strength, and they are more chemically stable than non-oxide systems. Furthermore, the ability to tailor the composition and morphology of spinel materials has opened new possibilities in fields such as photonics, solid oxide fuel cells, and heterogeneous catalysis. Literature studies indicate that hydrothermal and chemical synthesis methods are commonly used for the synthesis of spinel structured nanocomposites such as MgAl2O4 and NiAl2O4. In this thesis, MgAl2O4 and NiAl2O4 powders were synthesized using three different chemical production methods: ultrasonic spray pyrolysis (USP), sol–gel, and solution combustion synthesis (SCS). In particular, the SCS method was found to offer short reaction times, low energy consumption, and high product yields. Samples obtained via USP and sol–gel methods were comparatively evaluated in terms of controlled morphology and homogeneous structure. Through proper optimization of these methods, significant improvements were achieved in both the structural and catalytic properties of the synthesized spinel materials. Within the scope of the thesis, nano/submicron-sized MgAl2O4 and NiAl2O4 powders were synthesized using precursor solutions prepared from high-purity nitrate salts. The synthesized structures were then characterized in terms of their structural and morphological properties using XRD, BET, SEM/EDS, TEM, TGA, and FT–IR techniques. Accordingly, the relationship between production method and material structure was established, and synthesis parameters were optimized. These evaluations formed the basis for identifying the most effective synthesis method for obtaining high-performance catalyst supports with controlled physicochemical properties. The produced MgAl2O4 and NiAl2O4 spinel powders were evaluated particularly as catalyst support materials for advanced applications. In this context, catalyst systems were prepared by loading transition metals (e.g., Ni, Fe, Co) or rare earth elements (e.g., La, Ce, Ga) onto these supports via the wet impregnation method, and their catalytic performances were experimentally tested. In this way, the potential of spinel structures in energy conversion applications was demonstrated. In this thesis, the synthesis–structure–performance relationship of spinel-based catalyst supports was systematically investigated. Furthermore, considering the increasing urgency of global climate challenges, it has been demonstrated that the development of catalyst systems that are not only efficient and stable but also economically viable is of great importance. The integration of nanostructured spinel supports with tailored surface properties and metal compositions has been identified as an effective approach for optimizing catalytic activity and selectivity. Studies in this field have been shown to progress through interdisciplinary approaches that integrate materials science, catalytic engineering, and environmental technologies. This thesis provides an original and applicable contribution to the literature by systematically investigating the synthesis–structure–performance relationships of spinel-based catalyst supports toward the transition to low-carbon energy systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    939119

    Biyokütleden elde edilmiş karbon tabanlı elektrotların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of carbon-based electrodes derived from biomass

    SÜMEYYE ÇİÇEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER

  2. Tez No

    287013

    BaTiO3, NixZn1-xFe2O4, CoxZn1-xFe2O4, MnxZn1-xFe2O4, CuxNi1-xFe2O4, CuxCo1-xFe2O4 ve CuxMn1-xFe2O4 örneklerinin elektromanyetik soğurma özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the electromagnetic absorption properties of BaTiO3, NixZn1-xFe2O4, CoxZn1-xFe2O4, MnxZn1-xFe2O4, CuxNi1-xFe2O4, CuxCo1-xFe2O4 and CuxMn1-xFe2O4 samples

    HARUN BAYRAKDAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDOĞAN TARCAN

    DOÇ. DR. KADİR ESMER

  3. Tez No

    1014690

    Bakır oksit katkılı ve magnezyum katkılı çinko ferrit temelli̇ nanokompozitlerin yapısal ve di̇elektri̇k özelliklerinin geliştirilmesi

    Enhancement of the structural and dielectric properties of copper oxide doped and magnesium doped zinc ferrite based nanocomposites

    KÜBRA DEMİRCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BANU SÜNGÜ MISIRLIOĞLU

  4. Tez No

    457578

    Lityum iyon piller için nano ölçekli spinel yapılı katot materyallerinin sentezi

    Synthesis of nano scaled spinel structured cathode materials for lithium ion batteries

    EMRAH BULUT

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    KimyaSakarya Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR

  5. Tez No

    881046

    Spinel kobaltit tabanlı süperkapasitörlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of spinel cobaltite based supercapacitors

    TUĞÇE ERTUĞRUL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiErciyes Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ BURAK KİREMİTLER

    DOÇ. FATMA KILIÇ DOKAN

Geri Dön