Krom oksit katalizörlerin yapısı üzerine destek türünün etkisi
The effect of support type on chromium oxide catalyst structure
Yazar: ZUHAL EROL
Danışman: PROF. DR. MELTEM DOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, izobütan dehidrojenasyonunda kullanılmak üzere emdirme ve hidrotermal sentez yöntemleriyle krom temelli katalizörler hazırlanmıştır. Sentez çalışmalarında metal kaynağı olarak kromun nitrat tuzu kullanılmıştır. Hidrotermal sentez yöntemiyle farklı krom miktarlarında (kütlece %4, %6, %8, %10) CrOx/MCM-41 katalizörleri hazırlanmıştır. Emdirme tekniği ile yürütülen sentez çalışmalarında ise MCM-41, γ-Al2O3 ve TiO2 destek olarak kullanılarak kütlece %4, %6, %8 ve %10 krom içeren CrOx@destek katalizörleri hazırlanmıştır. Yürütülen XRD analizleriyle sentezlenen tüm katalizörlerin yapısında krom miktarının artmasıyla yapıdaki Cr2O3 kristallerin arttığı gösterilmiştir.  Kütlece %4 krom içeren ve hidrotermal yöntemle sentezlenen katalizörün yüzey alanı 1188 m2/g olarak belirlenmiş ve bu değer sentezlenen tüm katalizörler içerisinde en yüksek olarak tespit edilmiştir. Sentezlenen katalizör yapısında kromun +6 değerlikte olmasının katalizörün aktiflik ve seçiciliğine olumlu etkileri bilinmektedir. XPS analiz sonuçlarıyla tüm katalizörlerde yapıdaki Cr+6/(Cr+3+Cr+6) oranının krom miktarı arttıkça azaldığı gösterilmiştir. Bu oran en yüksek (%90)  hidrotermal sentez yöntemiyle sentezlenen kütlece %4 krom içeren katalizörde tespit edilmiştir. XPS analiz sonuçları ile γ-Al2O3 ve TiO2 desteklerde kromun önemli bir kısmının yüzeyde kaldığı, MCM-41 destekte ise gözenek içlerine daha fazla dağılım olduğu tespit edilmiştir. Yürütülen DR-UV-vis analizleriyle katalizör yapısındaki monokromat miktarlarının krom miktarı arttıkça azaldığı gösterilmiştir. İzobütan dehidrojenasyonunun incelendiği katalitik test çalışmaları sabit yatak şartlarında 600oC'de, atmosferik basınçta gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen katalizörler içerisinde en iyi izobütan dönüşüm ve izobüten seçicilik değerleri hidrotermal sentez yöntemiyle sentezlenen katalizörlerde elde edilmiştir. Hidrotermal sentez yöntemiyle sentezlenen kütlece %4 ve %6 krom içeren katalizörlerde yakın dönüşüm oranları (~%60) ve seçicilik değerleri (~%80) belirlenirken, %10 krom içeren katalizör için en düşük dönüşüm ve seçicilik değerleri tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, chromium based catalysts were prepared by impregnation and hydrothermal synthesis methods to use in isobutane dehydrogenation. Chromium nitrate salt was used as metal source in synthesis studies. CrOx/MCM-41 catalysts with different chromium amount (mass percentage 4%, 6%, 8%, 10%) were prepared by hydrothermal synthesis method.  In synthesis studies with impregnation method, CrOx@support catalysts with different chromium amounts (mass percentage 4%, 6%, 8%, 10%) were prepared by using MCM-41, γ-Al2O3 and TiO2 as support. From XRD analyses, it was shown that with the increase of the chromium amount in the structure of the catalysts, the amount of the Cr2O3 crystals increased for all of the synthesized catalysts. The catalyst containing 4% chromium by mass and synthesized by hydrothermal method was found to be the highest among all catalysts synthesized with a surface area of 1188 m2/g. It is known that the chromium in the synthesized catalysts structure,  being in +6 valance has positive effects on activity and selectivity of the catalysts. It was shown with the XPS analyses that Cr+6/(Cr+3+Cr+6) ratio in the structure decrased while the chromium amount increased. This ratio was found to be the highest (90%) in the catalyst containing 4% chromium synthesized by hydrothermal synthesis. XPS analysis results showed that a significant proportion of chromium retained on the γ-Al2O3 and TiO2 supports while chromium more distributed in the pores for MCM-41 support. It was shown that the amount of monochromate in the catalyst structure decreased with increasing amount of chromium by DR-UV-vis analysis. The catalytic test studies in which isobutane dehydrogenation was investigated were carried out under atmospheric pressure at 600oC in fixed bed conditions. Among the catalysts synthesized, the highest isobutane conversion and isobutene selectivity values were obtained in the catalysts synthesized by the hydrothermal synthesis method. The lowest conversion and selectivity values were determined for catalysts containing 10% chromium while the conversion (~ 60%) and selectivity values (~ 80%) were close to each other for catalysts containing 4% and 6% chromium by hydrothermal synthesis.