Hidrazin boran ile türevlerinin sentezi ve katalitik hidrojen üretimde kullanılabilirliği
The synthesis of hydrazine borane and derivatives and its utilization in the catalytic hydrogen production
Yazar: MERVE RABİA GÜRLÜK
Danışman: PROF. DR. GÖKSEL ÖZKAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Hidrojenin güvenilir ve etkin bir şekilde depolanması, hidrojen bazlı enerji altyapısının oluşturulması açısından önem arz etmektedir. Son zamanlarda hidrojen depolama malzemeleri alanında birçok çalışma yapılmaktadır. Geleceğin hidrojen depolama malzemesi olarak değerlendirilen bor bileşikleri ile ilgili en önemli uygulama sorunu, yakıt hücreleri için gerekli olan hidrojenin hızlı ve kontrollü bir şekilde üretimidir. Bor bazlı bileşiklerden hidrojen üretimi, katalitik ve katalitik olmayan dehidrojenasyon yöntemlerinden biri ile gerçekleştirilebilmektedir. Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinden biri olan hidrazin boran (N2H4BH3) ve hidrazin bisboran (N2H4(BH3)2) sırasıyla kütlece %15,4 ve %16,8 hidrojen içeriğiyle önem arz etmektedir. Yapılan bu çalışmada, hidrazin boran ve hidrazin bisboranın katalitik (CuO, RuO2, TiO2, Ru/TiO2, Y2O3, ZnO ve AlCl3 katalizörleri) ve katalitik olmayan sentezi gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık, reaktif mol oranı, pH ve reaksiyon süresi parametrelerinin üretim verimi üzerine etkilerine yönelik yürütülen sentez deneyleri sonucunda, TiO2 katalizörü kullanılarak elde edilen hidrazin boranın verimi %95 ve hidrazin bisboranın verimi ise %90 olmuştur. Sentezlenen ürünlerin karakterizasyonu, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), X-Işını Kırınımı (XRD), 11B Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (11B NMR) ve 1H Nükleer Manyetik Rezonans Spektroskopisi (1H NMR)  metotları ile yapılmıştır. Ayrıca, sentezlenen hidrazin boran ve hidrazin bisboranın katalitik dehidrojenasyonu ile hidrojen üretimi gerçekleştirilmiştir. Katalitik hidroliz için Rh-Ni/Zr-B ve Pd-Ni/B katalizörleri birlikte çöktürme yöntemiyle sentezlenerek karakteristik özellikleri (SEM, XPS ve XRD analizleri)  ve katalitik aktiviteleri test edilmiştir. Hidrazin boran ve hidrazin bisboranın Rh-Ni/Zr-B katalizörü eşliğinde hidrolizi sonucu 60 °C'de birim mol başına sırasıyla yaklaşık 2,8 mol ve 4,5 mol gaz (H2+N2), Pd-Ni/B katalizörü ile ise 3,58 mol ve 5,4 mol gaz (H2+N2) üretimi gerçekleştirilmiştir

Abstract:
The reliable and efficient storage of hydrogen has been a key enabling technology for the advancement of a hydrogen-based energy infrastructure. Recently, several studies have been conducted in the field of hydrogen storage materials. However, the most important application problem regarding boron compounds, which are considered as hydrogen storage materials in the future, is the rapid and controlled production of hydrogen required for fuel cells. Efficient and reversible hydrogen release can be achieved from the boron based materials via catalytic and non-catalytic dehydrogenation. Particularly, hydrazine borane (N2H4BH3) and hydrazine bisborane (N2H4(BH3)2) have been taken into account as chemical hydrogen storage materials due to their high hydrogen contents (15.4% and 16.8%). In this study, the non-catalytic and catalytic synthesis of hydrazine borane and bisborane was performed (TiO2, CuO, RuO2 and Ru/TiO2, Y2O3, ZnO and AlCl3 catalysts). As a result of catalytic synthesis (TiO2 catalyst) conducted by changing the temperature, reactant mole ratio, pH and reaction time, hydrazine borane and hydrazine bisborane were obtained with 95% and 90% yield, respectively. The products were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), 11B Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (11B NMR) and 1H Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (1H NMR). In addition, hydrogen production was carried out by catalytic dehydrogenation of as-synthesized hydrazine borane and bisborane. Binary and ternary catalysts (Pd-Ni/B and Rh-Ni/Zr-B) were prepared by impregnation method. Their catalytic properties and performance were assessed (SEM, XPS and XRD analyses) for the catalytic dehydrogenation. Accordingly, the hydrolysis of hydrazine borane and bisborane generated 2.8 moles and 4.5 moles of (H2+N2) gas at 60 °C with Rh-Ni/Zr-B catalyst, whereas 3.58 moles and 5.4 moles of (H2+N2) gas were produced in the presence of Pd-Ni/B catalyst, respectively.