Vanadyum ve demir içerikli SBA-15 sentezi ve yüzey sülfatlamasının yapısal özellikler üzerine etkisi
Synthesis of vanadium and iron containing SBA-15 and effect of surface sulfonation on the structural
Yazar: SULTAN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. F. SUNA BALCI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
İlk defa 1998 yılında sentezi gerçekleştirilen SBA-15 malzemesi tek boyutlu hekzagonal yapıya, düzgün gözenek boyutu ve dağılımına, yüksek yüzey alanına, yüksek mekanik ve hidrotermal dayanıma sahip mikrogözenekler de içeren mezogözenekli bir yapıdır. Birçok amaç için kullanılan bu malzemeler, nötr yüzey kombinasyonuna sahip oldukları için düşük katalitik aktivite gösterirler. Metal/metal oksitler kullanılarak silis yapısının modifikasyonu veya katının yüzey asitliğinin (Lewis ve Bronsted asitliği) sülfatlama vb. işlemlerle artırılması ile SBA-15'in katalitik aktiviteleri artırılabilir.Bu çalışmada demir ve vanadyum metal kaynakları kullanılarak SBA-15'in katalitik özelliklerinin arttırılması hedeflenmiş ve örneklerin karakterizasyonları yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda farklı metal/silisyum mol oranlarında (metal/Si=0,06 ve 0,09) V-, Fe- ve V+Fe-SBA-15 numuneleri hidrotermal yöntemle sentezlenmiştir ve elde edilen örneklerin yüzey sülfatlama işlemleri gerçekleştirilmiştir. XRD analiz sonuçlarından metal yüklemesinin SBA-15'in karakteristik piklerinin şiddetini artırarak yapıyı iyileştirdiği ve sülfatlandırma işleminin yapıyı bozmadığı görülmüştür. EDS analiz sonuçları yapıya demir kaynağının vanadyuma oranla daha fazla yerleştiği ve homojen bir dağılımın sağlandığı, sülfatlandırma işleminden sonra örneklerde metal/silisyum oranının azaldığı gözlenmiştir. Azot adsorpsiyon/desorpsiyon çalışması metal yüklemesi ile BET yüzey alan değerinin 800 m2/g'den 970 m2/g'e değerine kadar yükseldiği, mezogözenek hacminin toplamda %31'lerden %21'lere kadar azaldığı buna karşın mikrogözenek hacminde ise yaklaşık %20 artış olduğu görülmüştür. Sentez çözeltisindeki metal/Si mol oranının artışıyla BJH-ortalama mezogözenek boyutu ve SF-ortalama mikrogözenek boyutunun yükseldiği belirlenmiştir. Sülfatlandırılan numunelerin herbirinin BET yüzey alanlarında yaklaşık 150 m2/g'lık bir azalmayla birlikte mezogözenek hacimlerinde azalış ve mikrogözenek hacim değerlerinde kısmen artış, ortalama mikrogözenek çap değerlerinde artış ve mezogözenek çap değerlerinde ise azalma gözlenmiştir. Numunelere piridin adsorpsiyonu ardından farklı sıcaklıklarda desorpsiyonu ile gerçekleştirilen FTIR analizi metal yüklemesi ile özellikle Lewis asit bölgelerinde gözlenen pik şiddetlerinde ciddi bir artış, bunun yanı sıra Bronsted ve Lewis-Bronsted bölgelerinde belirginleşme göstermiştir. Yüzey sülfatlandırma işlemi yürütülen örneklerde özellikle Lewis asit bölgelerindeki piklerin şiddetinin daha fazla belirginleştiği görülmüştür.Anahtar Kelimeler : SBA-15, metal yükleme, sülfatlama, kristal yapı, gözenek yapı, kimyasal analiz, yüzey asitliği

Abstract:
SBA-15 material, the first time synthesis of it was performed in 1998, having a one dimensional hexagonal structure, uniform pore dimension and distribution, high surface area, high mechanical and hydrothermal stability is a mesoporous structure with high microporous. These materials which can be used for several purposes show low catalytic activity because of neutral surface combination. Catalytic activities of SBA-15 can be improved with the modification of silica structure by use of metal/metal oxides or increasing the surface acidity (Lewis and Bronsted acidity) by processing sulfanation etc.In this study, increasing catalytic properties of SBA-15 was aimed by using the iron and vanadium metal sources and their characterizations were performed. For this aim, V-, Fe-, V+Fe-SBA-15 samples with different metal/silica mole ratios (metal/Si=0,06 and 0,09) were synthesized by direct hydrothermal synthesis and the surface sulfonation of the synthesized samples were performed. It was seen that, by XRD analysis, metal loading improved structure showing an increase in peak intensity and sulfonation did not change the structure of SBA-15. The EDS analyses results showed that high amount of iron source was incorporated to the structure than vanadium source and homogeneous distribution was achieved, after the sulfonation, decreases in metal/silica ratio in the samples were observed. With the nitrogen adsorption/desorption analysis, increase of BET surface area, from 800 m2/g upto 970 m2/g, decrease of mesopore volume from 31% to 21% over the total in addition approximately 20% increase in micropore volume were observed. Increases in BJH mean mesoporous size and SF mean microporous sizes were designated by the increase of metal/silica ratio in the synthesis solution. In addition to approximately 150 m2/g decreases in BET surface area, decreases in mesopore volume and partly increases in micropore volume, increases in mean micropore diameters and decreases in mesopore diameters were observed for each sulfonated materials. FTIR analysis performed after pyridine adsorption and then desorption at different temperatures showed that serious increases in especially peaks in Lewis acid region, in addition to this, prominence in Bronsted and Lewis-Bronsted sites region. More prominence especially in the intensities of peaks in Lewis acid site regions was seen for the surface sulfonated samples.Key words : SBA-15, metal loading, sulfonation, crystalline structure, pore structure, chemical analysis, surface acidity