Karbon nanotüpleri üzerinde hidrojen adsorpsiyonunun incelenmesi
The investigation of hydrogen adsorption on carbon nanotubes
Yazar: SEFA KOCABAŞ
Danışman: PROF.DR. TÜRKAN KOPAÇ
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada dinamik bir yöntemle tek duvarlı (SWCNT) ve çok duvarlı karbonnanotüpleri (MWCNT) üzerinde hidrojen adsorpsiyonunun incelenmesiamaçlanmıştır. Puls kromatografik yöntem kullanılarak farklı sıcaklıklarda (35-200oC) dolgulu kolonlar üzerinde argon ve hidrojen adsorpsiyonu moment analizi ileincelenmiştir. Örneklerin yüzey alanlarını ve adsorpsiyon kapasitelerini artırmakamacı ile kimyasal ve ısıl yöntemlerle ve paladyum yüklemesi ile yapısal değişikliklergerçekleştirilmiş, volümetrik yöntemlerle yüzey alanı değişimleri, azot ve hidrojenadsorpsiyon izotermleri incelenmiştir. SWCNT, MWCNT ve paladyum yüklenmişSWCNT üzerinde argon adsorpsiyonuna ait adsorpsiyon denge sabitleri (KE)belirlenmiş ve bu değerlerde artan sıcaklığa bağlı olarak düzenli bir düşüşgözlenmiştir. 35 oC'de SWCNT, MWCNT ve paladyum yüklenmiş SWCNT üzerindeargon adsorpsiyonuna ait adsorpsiyon denge sabitleri sırası ile 0.00167, 0.00032 ve0.00053 m3/kg olarak bulunmuştur. Aynı sıcaklıkta örnekler üzerinde hidrojenadsorpsiyonuna ait adsorpsiyon denge sabitleri ise sırası ile 0.00086, 0.00017 ve0.00467 m3/kg'dır. Ancak paladyum yüklenmiş örneklerde artan sıcaklığa bağlıolarak artış gözlenmiş ve bu durum paladyumun hidrojen atomlarını düzgün birbiçimde adsorplanacak kısımlara dağıtmasına bağlanmıştır. En yüksek adsorpsiyondenge sabiti (KE) değeri 0.01 m3/kg değeri ile paladyum yüklenmiş SWCNT örnekleriüzerinde 200oC'de elde edilmiştir. Tüm örneklerde hidrojen adsorpsiyonuna ait farklısıcaklıklarda eksenel dağılım katsayıları bulunmuş ve artan sıcaklığa bağlı olarakazaldığı gözlenmiştir. Saf SWCNT örnekleri üzerinde hidrojen adsorpsiyonuna aitadsorpsiyon hız sabitleri belirlenmiş, paladyum yüklenmiş SWCNT örnekleriüzerinde sıcaklığa bağlı olarak adsorpsiyon hız sabitleri artmış, 200oC'de SWCNTörnekleri için 0.006 cm3/g.s olan adsorpsiyon hız sabiti değeri, paladyum yüklenmişSWCNT örnekleri için aynı sıcaklıkta 0.14 cm3/g.s olarak bulunmuştur. 77.4 K'dehem saf örneklerde, hem de yapısal değişikliğe uğratılmış örneklerde azot ve hidrojenadsorpsiyonuna ait veriler BET ve Langmuir adsorpsiyon izotermleriylekarşılaştırılmış, izoterm parametreleri belirlenmiştir. Orijinal SWCNT örneklerinde190 m2/g olan BET yüzey alanı ısıl işlemlerle yaklaşık on katı artırılmış ve 2230m2/g'lık bir değere ulaşılmıştır. Belirli bir sıcaklıkta yapılan ısıl işlemlerle kolaybiçimde yüzey alanı artırılmasının mümkün olduğu ve aynı zamanda safsızlıkların dauzaklaştırılabileceği gösterilmiştir. En yüksek hidrojen adsorpsiyonu kapasitelerineısıl işlemden geçmiş tek duvarlı karbon nanotüplerinde ve paladyum yüklenmiş tekduvarlı karbon nanotüplerinde ulaşılmış ve sırası ile % 1.04 ve 1.66 hidrojenadsorpsiyon kapasiteleri elde edilmiştir.

Abstract:
The aim of this work was to investigate the hydrogen adsorption on single walled(SWCNT) and multi walled (MWCNT) carbon nanotubes by a dynamic technique.Argon and hydrogen adsorption in packed beds were investigated with a puls-chromatographic method at different temperatures (35-200oC) by moment analyses.Chemical, thermal treatments and palladium loading on samples were done in orderto increase the specific surface area and adsorption capacities. Changes at surfacearea, nitrogen and hydrogen adsorption isotherms were identified by a volumetrictechnique. Adsorption equilibrium constants (KE) for argon adsorption on SWCNT,MWCNT and palladium loaded CNT samples were determined and found out thatvalues were decreasing with an increase in temperature. Adsorption equilibriumconstants (KE) of argon adsorption on SWCNT, MWCNT and palladium loadedSWCNT at 35 oC were found as 0.00167, 0.00032 and 0.00053 m3/kg respectively. Atthe same temperature, adsorption equilibrium constants (KE) of hydrogen on thesamples were found as 0.00086, 0.00017 ve 0.00467 m3/kg respectively. On the otherhand adsorption equilibrium constants (KE) for hydrogen on palladium loadedSWCNT samples were increased with an increase in temperature, which was due tothe effect of distribution of hydrogen atoms uniformly on adsorption sites ofpalladium. The highest (KE) value (0.01 m3/kg) value obtained at 200oC on palladiumloaded SWCNT samples. Axial dispersion coefficients (Da) for hydrogen adsorptionwere calculated for all samples and the values decreased with increasing temperature.Adsorption rate constants for hydrogen adsorption on the samples were found andonly an increase have been found on palladium loaded SWCNT samples due toincreasing temperature. Hydrogen adsorption rate constants at 200 oC were found as0.006 cm3/g.s and 0.14 cm3/g.s., respectively for SWCNT samples and palladiumloaded SWCNT samples.BET and Langmuir adsorption analysis at 77K on SWCNT, MWCNT and treatedsamples were compared and isotherm parameters were determined. BET surfacearea, which was determined as 190 m2/g for the original SWCNT samples wereincreased by 10 times due to thermal treatments and a 2230 m2/g surface area wasobtained. It has shown that heat treatment at a certain temperature is an easy way toincrease the surface area and purification. The highest hydrogen adsorptioncapacities were observed with heat-treated SWCNT?s and palladium loaded SWCNTsamples % 1.04 and 1.66 (w/w) respectively.