Perovskit yapılı katalizörlerin poliol yöntemiyle hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of perovskite type catalysts by polyol method
Yazar: MİRAY KUL
Danışman: DOÇ. DR. TUBA GÜRKAYNAK ALTINÇEKİÇ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yenilenemez enerji kaynağı olan fosil yakıtların her geçen gün daha da azalması, çevre kirliliği, küresel ısınma ve sera etkisi oluşturması sebebiyle alternatif, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç artmaktadır. Artan nüfus, büyüyen endüstri ve gelişen teknoloji de enerjiye olan ihtiyacı artırmaktadır. Bilim insanları bu sorunları çözebilmek için yenilenemez enerji kaynaklarını alternatif kaynaklar ile ikame etme çalışmalarına ağırlık vermiştir. Doğal gazın çeşitli yöntemler ile sentez gazına dönüştürülmesi reaksiyonları için etkin ve ucuz katalizörlerin sentezlenmesi ile ilgili çalışmalar bu yüzden hala önemini korumaktadır.
Bu çalışmanın amacı, perovskit yapılı katalizörlerin metanın kısmi oksidasyonu ile sentez gazı üretiminde kullanılmak üzere sentezlenmesidir. Katalizörler, mikron altı seviyede istenilen parçacık boyutunda ve dağılımında malzemelerin hazırlanmasına olanak tanıyan poliol yöntemi ile hazırlanmıştır.
Çalısma için hazırlanan perovskit katalizörlerin bileşimleri sırası ile LaNi1-xCoxO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 ve 1,0), La1-xSrxCoO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 ve 1,0) ve La1-xSrxNiO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 ve 1,0) olarak belirlenmiştir. Literatürde poliol yöntemi ile perovskit yapılı katalizör hazırlanması çalışmaları oldukça sınırlıdır. Poliol yönteminin en yüksek verimle katalizör üretiminde kullanılabilmesi için reaksiyon parametrelerinin (reaksiyon sıcaklığı, kalsinasyon sıcaklığı, reaksiyon ve kalsinasyon süresi, hidrolizleyici ajan vb.) ile ilgili ön çalışmalar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre reaksiyon sıcaklığı 180 °C, reaksiyon süresi 5 saat, hidrolizleyici ajan olarak perovskit katalizör bileşimine göre %65'lik nitrik asit veya destile su, kalsinasyon işlemi ise 800 °C'de 6 saat olarak belirlenmiştir. Hazırlanan perovskit katalizör örnekleri TG/DTA (Termogravimetrik Analiz/ Diferansiyel Termal Analiz), XRD (X- Işını Kırınımı Analizi), ICP-MS (İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), BET (Yüzey Alanı Ölçüm Analizi) ve TPR (Sıcaklık Programlı İndirgeme) yöntemi ile karakterize edilmiştir. XRD sonuçlarına göre Debby-Scherrer Denklemi yardımıyla yapılan hesaplamalarda kristalit büyüklüklerinin 15-35 nm arasında değiştiği bulunmuştur. LaNi1-xCoxO3 perovskit katalizörlerine ait ICP-MS verileri değerlendirildiğinde teorik değerler ile gerçek metal yükleme değerleri arasında en fazla %1,5 bir fark olduğu tespit edilmiştir. SEM analizi ile elde edilen görüntüler ImageJ Yazılımı ile incelenmiş ve ortalama parçacık büyüklüklerinin 14-32 nm aralığında olduğu tespit edilmiştir. BET yüzey alanı sonuçlarına göre en yüksek yüzey alanı 12.5 m2/g ile La0,5Sr0,5NiO3 numunesi için en düşük yüzey alanı ise 1,9 m2/g ile SrCoO3 numunesi için elde edilmiştir. TPR yöntemi ile hazırlanan katalizörlerin reaksiyon öncesi indirgenme sıcaklıkları incelenmiş ve genellikle 377-621 °C aralığında iki adet tepe noktası tespit edilmiştir. 
Bu çalışma kapsamında hazırlanan perovskit katalizörler arasında metanın katalitik kısmi oksidasyonu için en uygun katalizörlerin LaNi1-xCoxO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 ve 1,0) perovskit yapılarının olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, poliol yöntemi katalizör hazırlanması için umut vaat eden ancak hala geliştirilmeye ihtiyaç duyulan bir yöntemdir.

Abstract:
The need for alternative, clean and renewable energy sources is increasing due to the fact that fossil fuels, which are the non-renewable energy source, are decreasing day by day, causing environmental pollution, global warming and greenhouse effect. Increasing population, growing industry and developing technology also increase the need for energy. In order to solve these problems, scientists focused on substituting non-renewable energy sources with alternative sources. Studies on the synthesis of effective and inexpensive catalysts for the conversion of natural gas to synthesis gas by various methods are therefore still important.
The aim of this study is to synthesize perovskite structured catalysts for use in the production of synthesis gas by partial oxidation of methane. The catalysts were prepared by the polyol method, which allows the preparation of materials at the submicron level, desired particle size and pattern.
The compounds of the perovskite catalysts prepared for the study were LaNi1-xCoxO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 and 1,0), La1-xSrxCoO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 and 1,0) and La1-xSrxNiO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 and 1,0) respectively. In the literature, the preparation of perovskite catalyst with polyol method is quite limited. In order to use the polyol method in the production of catalyst with the highest efficiency, preliminary studies have been conducted on the reaction parameters (reaction temperature, calcination temperature, reaction and calcination time, hydrolyzing agent, etc.).
According to the results, the reaction temperature was 180 °C, the reaction time was 5 hours, 65% nitric acid or distilled water according to the perovskite catalyst composition as hydrolyzing agent, and the calcination process was determined as 6 hours at 800 °C. The prepared perovskite catalyst samples were characterized by TG / DTA (Thermogravimetric Analysis/Differential Thermal Analysis), XRD (X-Ray Diffraction Analysis), ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer), SEM (Scanning Electron Microscopy), BET (Surface Area Measurement Analysis) and TPR (Temperature-programmed Reduction) methods. According to XRD results, the calculations made with the help of Debby-Scherrer Equation were found to vary between 15-35 nm. When ICP-MS data of LaNi1-xCoxO3 perovskite catalysts were evaluated, it was found that there was a maximum difference of 1,5% between theoretical values and actual metal loading values. Images obtained by SEM analysis were examined by ImageJ Software and the average particle sizes were found to be in the range of 14-32 nm. According to BET surface area results, the highest surface area was obtained for La0,5Sr0,5NiO3 sample with 12,5 m2/g and the lowest surface area for SrCoO3 sample with 1,9 m2/g. The reduction temperatures of the catalysts examined by the TPR method and two peaks were generally determined in the range of 377-621 °C.
Among the perovskite catalysts prepared within the scope of this study, the most suitable catalysts for catalytic partial oxidation of methane were LaNi1-xCoxO3 (x: 0,0; 0,2; 0,5 and 1,0) perovskite structures. As a result, the polyol method is a promising method for catalyst preparation but still needs improvements.