Mekanokimyasal yöntemle sodyum amitten sodyum borhidrür sentezi, katalitik dehidrojenasyonu ve yakıt hücrelerinde kullanımı.
Synthesis of sodium borohydride from sodium amide by mechanochemical process, its catalytic dehydrogenation and usage in fuel cells.
Yazar: ÖZGE USTA
Danışman: PROF. DR. METİN GÜRÜ ; PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Katalitik hidrojenasyon = Catalytic hydrogenation ; Sodyum amid = Sodium amide ; Sodyum borohidrür = Sodium borohidride ; Yakıt hücreleri = Fuel cells

Özet:
Dünya nüfusunun giderek büyümesi ve teknolojinin gelişmesi nedeniyle, artan nüfusun daha iyi yaşam koşullarına ulaşma isteği günden güne artmaktadır. Buna paralel olarak daha çok tüketim söz konusu olmakta ve üretim ihtiyacını karşılayacak enerji miktarı da yükselmektedir. Artan enerji ihtiyacı; fosil yakıtların ıslahına yol açmakta, yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi yönünde araştırmaların yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Hidrojen enerjisi temiz bir enerji olmasına rağmen, hidrojen depolama, taşıma ve güvenli bir şekilde son kullanıcıya ulaştırma problemleri sebebiyle henüz uygulamaya geçilememektedir. Bu amaçla sodyum borhidrür sentezi geliştirilerek, hidrojenin depolanmasındaki problemlerin giderilmesine çalışılmaktadır. Bununla beraber, dehidrojenasyon yöntemi ile kontrollü hidrojen açığa çıkarılması ve emniyetli kullanım yöntemleri önem kazanmaktadır. Bu konuda, çeşitli katalizörler varlığında ve farklı reaksiyon şartlarında en yüksek reaksiyon verimini optimum şartlarda belirlemek amacıyla çalışmalar yürütülmektedir.Bu çalışmada sodyum amit, magnezyum hidrür ve bor oksitten speks tipi 3 boyutlu öğütücü sisteminde mekanokimyasal reaksiyon ile yüksek oranda hidrojen depolayabilen sodyum borhidrür (NaBH4), üretilmiş ve etilen diamin ile saflaştırılmıştır. Elde edilen ürünün karakterizasyonu amacıyla FT-IR, XRD, TGA/DTA, tane boyutu analizi ve iyodimetrik analiz tekniklerinden yararlanılmıştır. Sodyum borhidrürden enerji elde etmek amacıyla katalitik dehidrojenasyon reaksiyonu ile hidrojen üretilmiştir. Dehidrojenasyon işleminde kullanılan katalizörler ekonomik olarak sentezlenmiştir. Katalizörlerin dehidrojenasyon reaksiyonunda kullanılması sonucunda, tepkimeye ait kinetik özellikler geliştirilmiştir. Katalizörlerin yüzey özelliklerinin ve elementel içeriklerinin belirlenmesi için SEM+EDS ve BET analizleri yapılmıştır. Ayrıca üretilen hidrojenin proton değişim membran (PEM) yakıt hücresinde kullanımın geliştirilmesi yönünde ön çalışmalar yapılmıştır. PEM yakıt hücresinde performans ölçümü gerçekleştirilerek entegre bir sistemin kurulabilmesi için gereken sistem koşulları belirlenmiştir.Yapılan çalışmalar sonucunda, sodyum borhidrür sentezi için reaksiyon stokiyometrisine göre %30 oranında fazla magnezyum hidrür kullanımı ve speks tipi öğütücüde 500 dakika süresince gerçekleştirilen mekanokimyasal reaksiyon ile en verimli sonuç elde edilmiştir. Etilen diamin ile gerçekleştirilen saflaştırma sonucunda %84 verimle sodyum borhidrür üretilmiştir. Dehidrojenasyon reaksiyonunda kullanılan katalizörle 2171 çevrim gerçekleştirilmiş ve katalizör 212 gün kullanılmıştır.

Abstract:
Because of the growing world population and development of technology, the growing population?s desire to achieve better living conditions is rising day by day. Correspondingly, there is more consumption and the amount of energy to meet the needs of production is increasing. Increasing energy demand causes the exhaustion of fosil fuels and also enforces to investigate for new and renewable energy sources? development. Although hydrogen energy is a clean energy there are storage, transportation and safely usage problems. Sodium borohydride is synthesized to overcome these problems. At the same time, controlled hydrogen release during dehydrogenation and its safe usage is become more important. Studies have been continued under the different reaction conditions to reach the best hydrogen yield in optimum conditions using various catalysts in this subject.In this study sodium borohydride which can store high amount of hydrogen was synthesized from mechanochemical reaction of sodium amide, magnesium hydride and boronoxide in spex type miller. Ethylene diamine was used to purify the raw product. FT-IR, XRD, TGA/DTA, particle size analysis and iodimetric analysis were done to characterize the synthesized product. Hydrogen was produced from the catalytic dehydrogenation of sodium borohydride to get energy. Catalysts? used in dehydrogenation reaction were synthesized in economical ways. Kinetic properties of dehydrogenation reactions were developed from the datum of experiments. SEM+EDS and BET analysis were done to investigate the surface properties and elemental compositions of catalysts. Pre-studies were done to improve the usage of produced hydrogen in PEM fuel cell. Required entegrated system conditions were determined with performance measurement of PEM fuel cell.As a result of experimental studies, the highest efficiency was obtained by using 30% excess MgH2 in spex type mill with a 500 min mechanochemical reaction time. Purification of product by using ethylene diamine results 84% yield. Prepared catalyst could achieve hydrogen liberation for 2171 cycle, which equals 212 days uninterruptedly.