Amonyak boran sentezi, dehidrojenasyonu ve kinetik parametrelerin belirlenmesi
Synthesis and dehydrogenation of ammonia borane and determination of kinetic parameters
Yazar: DERYA ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. GÖKSEL ÖZKAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Alternatif çevre dostu enerji taşıyıcı kaynakların başında gelen hidrojen (H2) üzerindeki önemli sorunların başında üretim maliyetleri, depolama ve güvenli kullanma teknikleri gelmektedir. Son yıllarda, amonyak boran (NH3BH3, AB) bileşiği diğer borlu hidrürlere göre daha yüksek H2 depolama (teorik kütlece %19,6) kapasitesine sahip olması, oda koşullarında oldukça kararlı olması ve düşük sıcaklıklarda hidrolizi gibi özelliklerinden dolayı kimyasal H2 depolama malzemesi için potansiyel aday olmuş ve bu yönde araştırmalar artmıştır. İki ana aşamada yürütülen bu tez çalışmasında, amonyak boranın yüksek saflıkta sentezi için yöntem geliştirme çalışmaları yürütülmüş ve iki yöntem geliştirilmiştir. İlk yöntemde, tetrahidrofuran (THF) çözücüsü ortamında sodyum bor hidrür (NaBH4) ve amonyum sülfat ((NH4)2SO4) reaksiyona sokularak AB elde edilmiştir. Bu çalışmada AB ürün dönüşümü üzerine sıcaklık, çözücü miktarı ve reaktif maddelerin etkisi incelenerek reaksiyon hız ifadesi geliştirilmiştir. Sıcaklık değeri 25oC'den 50oC'ye çıktığında ürün dönüşüm veriminin %99,6'e arttırdığı, reaksiyon süresinin 2 saate azaldığı ve ürün saflığının %100'e kadar çıktığı tespit edilmiştir. Ürün dönüşümü üzerine çözücü (THF) ve reaktif derişimi etkisinin incelendiği çalışmalarda; çözücü miktarı ile ürüne dönüşümün arttığı ve NaBH4 miktarının daha etkin davrandığı görülmüştür. İkinci aşamada ise amonyak boran maddesinin daha ucuz teknik ve reaktif malzemelerden sentezini gerçekleştirmek amacıyla literatürde yer almayan iki aşamalı AB üretim prosesi olarak adlandırılmış deneysel bir metot geliştirilmiştir. Bu çalışmada; reaktiflerden biri olan NaBH4 yerine, bu maddenin üretiminde hammadde olarak kullanılan trimetil boratın-(B(OCH3)3) kullanılması esas alınmıştır. İlk aşamada trimetil borat, sodyum hidrür ile katalizörlü (AlCl3) ve katalizörsüz ortamda reaksiyona sokulmuş ve açığa çıkan  diboranın ortamda bulunan trifenilfosfine (PPh3) tutulması sağlanarak  trifenilfosfin-boran kompleksi (PPh3:BH3) elde edilmiştir. İkinci basamakta ise elde edilen trifenilfosfin-boran, amonyak ile reaksiyona sokularak ~%100 saflıkta  ve % 99 verimde amonyak boran elde edilmiştir. Her iki aşamada üretilen AB örneklerinin temel yapı ve saflıklarının belirlenmesi amacıyla FTIR, XRD, 11B NMR ve kantitatif analiz teknikleri kullanılmıştır. Ayrıca üretilen AB'lerin katalitik dehidrojenasyonu için %1'lik Pt/Al2O3 katalizörü üretilmiş, hidrojen üretim verimleri incelenmiş ve bu yöntem aynı zamanda AB saflığının belirlenmesinde de uygulanmıştır.

Abstract:
The main  issues on hydrogen (H2), the leading alternative and environmentally friendly energy carrier, is known that production costs, storages and safe handling techniques. In recent years, ammonia borane (NH3BH3, AB) have become potential candidate for chemical H2 storage material due to having higher H2 storage capacity (up to 19% by weight) than other boron hydrides, relatively stable under ambient conditions and hydrolysis at lower temperature, and so has lead to increase in research in this area. In this thesis, method development studies were conducted to sythesize high purity AB and two methods were developed. According to first method, AB  was obtained from the reaction of NaBH4 and (NH4)2SO4 in THF. The effect of reaction temperature, solvent and reactive inlet concentrations on the conversion into AB were examined. Also, experiments were performed to determine the  kinetic parameters. As a result of parametrical experiments, it has been determined that product conversion yield is increased from 95.3% to 99.6% and reaction period is decreased by up to 2 hours and product purity value is increased to 100% when reaction temperature is increased from 25oC to 50oC. It was found that conversion declines with the reduction of the THF solvent quantity and NaBH4 concentration has the highest influence on reaction rate. An experimental method which does not exist in the literature was developed to sythesize AB using more appropiriate techniques and cost- effective reactive matearials and it was used as second metod  in AB production. Synthesis of the AB was completed in two stages based on this method. Trimethyl borate (B(OCH3)3) was used instead of NaBH4 which is used as a reactive material and higher in cost. In the first stage, B(OCH3)3 was put into reaction with NaH in a media with and without catalyst (AlCl3). Triphenylphospine-borane (PPh3:BH3)  complex has been obtained through bonding between the liberating diborane and triphenylphospine. In the second stage, obtained PPh3:BH3  was put into reaction with ammonia and AB was obtained in high purity (100% ) and efficiency (99%). FTIR, XRD, 11B NMR and quantitative analysis techniques were used to determine the structures and purities of the all samples produced AB  in both stages. 1 wt-% Pt/Al2O3 catalyst was  sythesized for catalytic dehydrogenation of produced AB and also catalytic dehydrogenation was applied for determination purities of produced AB.