Nano yapılı zirkonyum-oksit esaslı katalizörler ve alkol dönüşümlerindeki performansları
Nano structured zirconia-oxide catalysts and their performance on alcohol conversion reaction
Yazar: BİRCE PEKMEZCİ
Danışman: PROF. DR. GÜLŞEN DOĞU ; PROF. DR. TİMUR DOĞU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kimyasal reaksiyon mühendisliği = Chemical reaction engineering

Özet:
Son zamanlarda fosil yakıtların hızlıca tüketiminden ve artan enerji ihtiyacından dolayı hidrojen enerjisi, alternatif enerji kaynaklarından biri olarak önem kazanmıştır. Bu amaçla etanol kuru reformlanma reaksiyonu, yüksek miktarda hidrojen üretimine olanak sağladığı ve sera gazı etkisine neden olan karbon dioksitin doğaya salımını azalttığı için yüksek potansiyel taşımaktadır. Bu çalışmada, ZrCeO2 ve Ni/ZrCeO2 malzemeleri hazırlanmış ve etanol kuru reformlanma reaksiyonundaki aktivitelerinin belirlenmesi amacıyla reaksiyon deneyleri yürütülmüştür. Malzemeler hazırlanırken sentez çözeltisindeki Zr/Ce molar oranı  değiştirilmiş ve bu oranın, reaksiyon sonucu ürün dağılımına etkisi incelenmiştir. Hazırlanan malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi için XRD, azot adsorpsiyon-desorpsiyon, SEM, EDS ve FTIR analizleri yapılmıştır. 
Katalitik aktivite testleri diferansiyel reaktör sisteminde 750 oC ve 1 bar'da (CO2/C2H5OH molar oranı = 1) gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma sonucunda en iyi aktivite veren malzemeler kullanılarak beslemenin toplam akış hızı sabit tutulup CO2/C2H5OH molar oranının  (1, 2 ve 3) reaksiyon sonrası ürün dağılımına etkisi incelenmiştir. Beslemedeki karbon dioksit miktarının artması, yan ürün seçiciliğinde artışa neden olmuştur. Bu yüzden, etanol kuru reformlanma reaksiyonu için beslemedeki ideal CO2/C2H5OH molar oranı bir olarak belirlenmiştir. Ayrıca katalizör yapısına nikel yüklenmesi, ürün dağılımında istenen ürün için pozitif etki yaratmıştır. CO2/C2H5OH molar oranının artışıyla koklaşmanın arttığı yapılan TGA analizi ile belirlenmiştir. Reaksiyon çalışmaları sırasında hidrojen seçiciliği en düşük olan katalizör kullanılarak beslemedeki suyun etanol kuru reformlanma reaksiyonuna etkisi incelenmiştir. Beslemedeki CO2/C2H5OH/H2O molar oranı gaz fazı için 1:1:3 ve 1:3:1 (toplam akış hızı sabit) olarak alınmıştır. Aktivite testleri sonucunda beslemedeki su miktarının artması ile hidrojen seçiciliğinin arttığı görülmüştür.  CO2/C2H5OH/H2O molar oranının 1:1:3 olduğu çalışmada maksimum hidrojen seçiciliği elde edilmiştir. Ayrıca katalizör yüzeyinde oluşan kok da önemli ölçüde azalmıştır.

Abstract:
The interest in hydrogen as an energy source has increased in the last decades due to depletion of fossil resources and increase in energy demand. Ethanol dry reforming has the potential to produce high amount of hydrogen and convert one of the most important greenhouse gases, namely  CO2 to valuable chemicals. In this study, activities of Ni/ZrCeO2 and ZrCeO2 that has diffent Zr/Ce molar ratio, were investigated in dry reforming of ethanol. Physical and structural properties of catalysts are investigated by XRD, BET surface area, FTIR, EDS and SEM analysis. XRD and EDS analysis proved that Ni particles were rather well dispersed on ZrCeO2. Ni impregnation decreased surface area of support material as expected. Nitrogen adsorption-desorption isotherms proved materials were mesoporous. 
Etanol dry reforming was carried out 750 oC and 1 bar  with a CO2/C2H5OH molar ratio of 1. In the dry reforming test with both ZrCeO2 and Ni/ZrCeO2 catalysts, high hydrogen and low side product yield were obtained. Using these catalysts, CO2/C2H5OH  molar ratio was changed as 1,2 and 3 at constant flow rate. It was seen that when CO2/ethanol molar ratio increased in the feed, hyrogen selectivity decreased. Also selectivity of side product increased. Presence of the excess CO2 in the feed facilitated the side reactions, more than ethanol dry reforming. TGA carried out with catalysts after reaction showed that carbon decoposition increased with increase in CO2/C2H5OH  molar ratio. CO2/C2H5OH/H2O in the feed was kept as 1:1:3 and 1:3:1 by keeping total flow rate constant. In order to examine the water effect on etanol dry reforming  reaction studies were carried out by using catalyst which give the lowest hyrogen selectivity. As the amount of water in feed increases, hydrogen selectivity increases and amount of coke decreases.