Metal içerikli silika mikro kürelerin sentezi, karakterizasyonu ve aktivitelerinin incelenmesi
Synthesis, characterization of metal containing silica micro-spheres and investigation of their activities
Yazar: GAMZE GÜNDÜZ MERİÇ
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT DEĞİRMENCİ ; PROF. DR. SÜLEYMAN KAYTAKOĞLU
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Katalitik reaksiyon = Catalytic reaction ; Kimyasal reaksiyon mühendisliği = Chemical reaction engineering ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu çalışmada, metanın kuru reformlanma reaksiyonu ile kullanılabilir kimyasal ürün olarak hidrojen ve karbonmonoksit eldesi için aktif, seçici, sürdürülebilir, reaksiyon sonucunda kok oluşumuna duyarlı katalizörler geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla monometalik Ni, bimetalik Ni-Co, Ni-Fe ve Ni-Pd yüklü silika mikro küreler sol-jel mikroenkapsülasyon ve sol-jel mikroenkapsülasyon-emdirme sentez yöntemleriyle hazırlanmışlardır. Farklı Ni yüklü mono metalik silika mikro küre katalizörlerin aktivite ve kararlılık sonuçlarına bakılarak toplamda % 5 Ni-M (M:Co, Fe, Pd) olacak şekilde belirlenen katalizörler eşit Ni- M, düşük Ni- yüksek M ve yüksek Ni- düşük M olacak şekilde (1Ni-1M, 1Ni-2M, 2Ni-1M ve 4Ni-1M) sentezlenmişlerdir. Hazırlanan katalizörlerin fiziksel ve yapısal özelliklerinin belirlenebilmesi amacıyla katalizörlere ICP-OES, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD ve SEM analizleri gerçekleştirilmiştir.
Metanın kuru reformlanma reaksiyonu için, çalışılacak uygun reaksiyon sıcaklığı 750˚C ve besleme oranı CH4/CO2/N2: 1/1/1 belirlenerek deneyler yapılmıştır. Toplamda kütlece % 5 metal içeren bimetalik mikro küre katalizörler varlığında gerçekleştirilen katalitik aktivite deneylerinde en yüksek (% 88- metan) aktiviteyi ve 0,92 H2/CO oranını sol-jel mikroenkapsülasyon- emdirme yöntemiyle sentezlenen 1Ni-2Pd yüklü bimetalik silika mikro küre katalizörü göstermiştir.  Ni-Pd yüklü bimetalik silika mikro kürelerin yanı sıra Ni-Co yüklü bimetalik silika mikro kürelerin de aktivite testlerinden bu reaksiyon için oldukça aktif oldukları ve kararlılıklarını 3 saat boyunca korudukları tespit edilmiştir. Katalizörlerin reaksiyon sonrası yapısal ve fiziksel değişimlerinin belirlenebilmesi amacıyla SEM, XRD, TGA ve Raman spektroskopisi analizleri gerçekleştirilmiştir. Ni-Fe yüklü silika mikro küre katalizörlerde reaksiyon sonrası kok oluşumu tespit edilmiştir. Ni-Co ve Ni-Pd yüklü mikro kürelerin yapılarında kok oluşumu tespit edilmemiştir. En yüksek aktiviteyi ve H2/CO oranını sol-jel mikroenkapsülasyon- emdirme yöntemi ile sentezlenen Ni-Pd ve Ni-Co yüklü bimetalik silika mikro küre katalizörler vermiştir. 12 saat uzun ömürlülük aktivite testlerinde de bu katalizörler için kok oluşumu ve aktivite kaybı tespit edilmemiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to develop coke formation sensitive catalysts as a result of active, selective, sustainable, reaction to hydrogen and carbon monoxide as chemical product which can be used with dry reforming of methane reaction. For this purpose, monometallic Ni, bimetallic Ni-Co, Ni-Fe and Ni-Pd silica microspheres were prepared by sol-gel microencapsulation and sol-gel microencapsulation-impregnation synthesis methods. The catalysts determined to be 5% Ni-M (M: Co, Fe, Pd) will be equal Ni-M, low Ni-high M and high Ni-low M (1Ni-1M, 1Ni-2M, 2Ni-1M and 4Ni-1M) based on the activity and stability results of different Ni-based mono metallic silica microsphere catalysts. In order to determine the physical and structural properties of the prepared catalysts, ICP-OES, N2 adsorption-desorption, XRD and SEM analyzes were performed.
For the dry reforming of methane reaction, the appropriate reaction temperature was determined as 750 ˚C and the feed rate was determined as CH4/CO2/N2: 1/1/1. The effect of determined optimum conditions on the catalytic activity of catalysts was investigated. In the catalytic activity experiments carried out in the presence of total 5% metal-containing bimetallic microsphere catalysts, 1Ni-2Pd sol-gel microencapsulation-impregnation bimetallic silica microspheric catalyst showed the maximum activity (88 % methane) and maximum H2/CO ratio (0,92). In addition to the Ni-Pd loaded bimetallic silica microspheres, Ni-Co loaded bimetallic silica microspheres were found to be very active for this reaction from activity tests and were stable for 3 hours. SEM, XRD, TGA and Raman spectroscopy analyzes were performed in order to determine the structural and physical changes of the catalysts after the reaction. Coke formation was observed in the Ni-Fe bimetallic silica microsphere catalysts after the reaction. Coke formation was not detected in the structures of Ni-Co and Ni-Pd bimetallic microspheres. Ni-Pd and Ni-Co bimetallic silica microspheres showed the highest activity, stability and H2/CO ratio. Coke formation and activity loss were not detected for these catalysts during 12 hours long life activity tests.