Etilendiamin bisboranın katalitik buhar fazı dehidrojenasyonu
Catalytic steam reforming of ethylenediamine bisborane
Yazar: OKAY SERKAN ANGI
Danışman: PROF. DR. GÖKSEL ÖZKAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Dehidrojenasyon = Dehydrogenaration ; Etilendiamin = Ethylenediamine ; Hidrojen depolanması = Hydrogen storage ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Hidroliz = Hydrolysis

Özet:
Günümüzde gelişen teknoloji ve artan insan nüfusuna paralel olarak enerji tüketimi artmıştır. Enerji ihtiyacının büyük bir bölümü hala fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıtların çevresel etkileri düşünüldüğünde yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelinmesi gerekmektedir. Evrende en çok bulunan kimyasal element olan hidrojen, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olup küresel enerji ihtiyacını çevreci bir şekilde karşılama potansiyeline sahiptir. Doğada saf halde bulunmayan H2 başta su olmak üzere C-H-N içeren doğal yakıtlar (kömür, doğal gaz vb. gibi) ve pek çok kimyasal hammadde yapısında bolca bulunur. Hidrojenin üretilmesinin yanı sıra gündelik hayatımıza uyarlanabilmesi için güvenli ve ihtiyaç anında verimli şekilde hidrojen salınımını gerçekleştirebilen malzemelerde depolanması gerekmektedir. Ayrıca geleciğin teknolojisi olduğu düşünülen yakıt pili sistemlerinde hidrojen enerjisinin kullanımı için uygun depolama malzemelerinin kullanılması şarttır. Enerji üretimi amacıyla üretilen H2 günümüzde fiziksel ve kimyasal depolama olmak üzere iki yöntemle depolanmaktadır. Yaygın kullanılan fiziksel depolama türlerinden sıkıştırılmış formda depolama güvenlik nedeniyle özellikle ulaşım ve taşınabilir cihaz sektörlerinde önemli riskler içermektedir. Bu nedenle kütlece %7 ve üzerinde H2 içeren ve uygun koşullarda H2'i kolaylıkla salabilen kimyasal depolama malzemeleri son dönemde öne çıkmaya başlamıştır. Özellikle bor içerikli depolama maddelerinden olan metal borhidrürler (NaBH4, LiBH4, Ca(BH4)2 gibi) , amonyak boran (NH3BH3) ve etilen diamin bisboran (C2H4(NH2)2(BH3)2) gibi amin ve alkil amin boranlar sahip oldukları kütlece yüksek hidrojen depolama kapasiteleri ile oldukça popüler araştırma alanlarıdır. Bu çalışmada hidrojenin kimyasal olarak depolandığı bir bileşik olan etilen diamin bisboranın (EDAB) katalitik buhar fazı ve düşük sıcaklıkta hidrolizi ile dehidrojenasyonun gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Katalitik buhar fazı deneyleri borusal dolgulu reaktörde gerçekleştirilmiştir. Katalizör aktif maddesi olarak palladyum (Pd), destek maddesi olarak Nikel/Karbon-köpük ve titanyum dioksit (TiO2) olmak üzere iki farklı malzeme kullanılmıştır. Ni/C-köpük elektrokimyasal çöktürme/kaplama yöntemi ile TiO2 ise sol-jel yöntemi ile hazırlanmıştır. Düşük sıcaklık deneyleri aynı katalizörlerle kesikli reaktörde gerçekleştirilmiştir. Deneysel parametre olarak sıcaklık, derişim ve kataliz miktarının seçildiği deneysel çalışmalar sonucunda hidroliz reaksiyonun Langmuir-Hinshelwood kinetiğine uyduğu, aktivasyon enerjisinin 33,61 kJ.mol-1 olarak belirlenmiş ve 80oC'de 4,97 eşdeğer mol H2 üretilmiştir. Ayrıca buhar fazı dehidrojenasyonu deneylerinde 300oC'de 7, 450oC'de 9,5 eşdeğer mol H2 üretildiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Today, energy consumption has increased in parallel with developing technology and increasing human population. Most of the energy needs are still met from fossil fuels. Considering the environmental effects of fossil fuels, it is necessary to turn to renewable energy sources. Hydrogen, the most abundant chemical element in the universe, is one of the renewable energy sources and has the potential to meet global energy needs in an environmentally friendly way. H2, which is not found in pure form in nature, is abundant in water, natural fuels containing C-H-N (such as coal, natural gas, etc.) and many chemical raw materials. In addition to the production of hydrogen, it must be stored in materials that can release hydrogen safely and efficiently when needed, in order to adapt it to our daily life. In addition, suitable storage materials must be used for the use of hydrogen energy in fuel cell systems, which are considered to be the technology of the future. Today, H2, which is produced for energy production, is stored by two methods, physical and chemical storage. Compressed form storage, which is one of the commonly used types of physical storage, contains significant risks, especially in the transportation and portable device sectors, due to security. For this reason, chemical storage materials that contain 7% and above H2 by mass and can easily release H2 under suitable conditions have recently come to the fore. In particular, amine and alkyl amine boranes such as metal borohydride (such as NaBH4, LiBH4, Ca(BH4)2), ammonia borane (NH3BH3) and ethylenediamine bisborane (C2H4(NH2)2(BH3)2), which are boron-containing storage materials, have high mass. They are very popular research areas with their hydrogen storage capacities. In this study, it is aimed to carry out dehydrogenation by catalytic vapor phase and low temperature hydrolysis of ethylenediamine bisborane (EDAB), a compound in which hydrogen is chemically stored. The catalytic vapor phase experiments were carried out in a tubular packed reactor. Nickel foam as catalyst support, Nickel/Carbon-foam electrochemical precipitation/coating Titanium dioxide material was prepared by sol-gel method. Low temperature experiments will be carried out in a batch reactor with the same catalysts. As a result of experimental studies in which temperature, concentration and amount of catalysis were chosen as experimental parameters, 4.97 equivalent mol of H2 was produced at 80oC, where the hydrolysis reaction followed Langmuir-Hinshelwood kinetics and the activation energy was 33.61 kJ.mol-1. In addition, it was concluded that 7 equivalent moles of H2 were produced at 300oC and 9.5 equivalent moles at 450oC in vapor phase dehydrogenation experiments.