Kobalt içerikli karbon nanomalzemeler ile amonyaktan hidrojen üretimi çalışmaları
Studies on hydrogen production from ammonia over cobalt incorporated carbon nanomaterials
Yazar: AYTAK MAMMADLI
Danışman: DOÇ. DR. DİLEK VARIŞLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Aile Planlaması = Family Planning ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, amonyaktan yüksek verimle hidrojen üretmek için mezogözenekli karbon ve aktif karbon ile farklı kobalt tuzları kullanılarak nanokatalizörlerin sentez, karaterizasyon ve aktivite çalışmaları yapılmıştır. Katalizörlerin sentezi emdirme yöntemi ile gerçekleştirilmiş olup, kobalt öncül madde olarak kobalt nitrat, kobalt asetat ve kobalt klorür tuzları farklı miktarlarda yüklenmiştir. Hazırlanan katalizörlerin yapısal özellikleri, X-ışını kırın deseni analizi, azot fizisorpsiyon analizi SEM-EDS teknikleri ile belirlenmiştir. Reaksiyon çalışmaları sabit yataklı sürekli akış reaktöründe 0,1 g katalizör kullanılarak 60 ml/dak saf amonyak akışında 400-700oC reaksiyon sıcaklığında test edilmiştir. Mezogözenekli karbon destekli katalizörlerin aktif karbon destekli katalizörlerden daha yüksek yüzey alanına sahip olduğu belirlenmiştir örneğin CoAs@MC(0.05) katalizörünün yüzey alanı 218 m2/g iken CoAs@AC(0.05) katalizörünün yüzey alanı 23 m2/g'dir. Kobalt oksit kristalleri hazırlanan bütün katalizörlerin yapısında gözlenirken, kobalt klorür kullanılan katalizörlerin yapısında ise uygulanan ısıl işlemler sonrasında bir miktar klor kaldığı tespit edilmiştir. Sentez koşullarında aynı metal yükleme miktarında hazırlanan katalizörlerden mezogözenekli karbon destekli katalizörlerin aktif karbon destekli katalizörlere göre daha yüksek kobalt içeriği elde edilen EDS sonuçlarından görülmüştür.
Mezogözenekli karbon destekli kobalt nitrat (CoN@MC(0.5)) ve kobalt asetat yüklü katalizörlerle (CoAs@MC(0.05) ve CoAs@MC(0.1)) reaksiyon sıcaklığı 600oC iken toplam dönüşüme ulaşılmıştır. Mezogözenekli karbon destekli kobalt klorür kullanılarak hazırlanan katalizörlerle ise %80 üzeri dönüşüm alınmıştır. Aynı deney koşullarında, mezogözenekli karbon destekli katalizörlerden kobalt asetat yüklü katalizörler amonyaktan hidrojen üretiminde en yüksek aktiviteyi göstermektedir. Aktif karbon destekli kobalt yüklü katalizörlerin aktivitelerinin ise mezogözenekli karbon destekli kobalt yüklü katalizörlerin aktivitesine göre düşük olduğu görülmüştür ve bu durum yapısal farklılıklarla açıklanmıştır.

Abstract:
In this thesis, characterization and activity tests of mesoporous carbon and active carbon supported cobalt incorporated nanocatalysts for hydrogen production from ammonia were carried out. Catalysts were synthesized following the impregnation procedure and different cobalt precursors, namely cobalt nitrate, cobalt acetate and cobalt chloride, were incorporated at different loadings. Structural properties of catalysts were determined by XRD, azot physisorption and SEM-EDS techniques. Reaction experiments were carried out in a continuous flow packed bed reactor using 0.1 g of each catalyst under the flow of pure ammonia with 60ml/min at reaction temperatures between 400 and 700oC. Mesoporous carbon supported catalysts have higher surface area than active cabon supported ones. For example, the surface area of CoAs@MC(0.05) was 218 m2/g while that of CoAs@AC(0.05) was 23 m2/g. Cobalt oxide crystals were observed in the structure of all the synthesized catalysts while some chlorine particles were determined in the structure of catalysts prepared using cobalt chloride in spite of applied thermal steps. Among the catalysts having the same metal loading in their synthesis solution, higher amount of cobalt was determined in the structure of mesoporous carbon supported catalysts in comparison to active carbon supported ones according to EDS results. Total conversion was achieved over mesoporous carbon supported cobalt nitrate incorporated catalysts such as CoN@MC(0.5)) and cobalt acetated incorporated catalysts such as CoAs@MC(0.05) and CoAs@MC(0.1) at 600oC. At the same temperature, ammonia conversion values over 80% were obtained over mesoporous carbon supported cobalt chloride incorporated ones. Under the same reaction conditions, among the mesoporous supported catalysts, cobalt acetate incorporated ones show the highest activity in hydrogen production from ammonia. It was seen that the activities of active carbon supported cobalt catalysts were lower than mesoporous carbon supported cobalt catalysts due to structural differences.