Metal oksit ve metal sülfür katalizörlüğünde hidrojen üretimi
Metal oxide and metal sulfide catalysts
Yazar: GİZEM YANALAK
Danışman: DOÇ. DR. İMREN HATAY PATIR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Geleceğin enerji taşıyıcısı olarak görülen hidrojen, sürdürülebilir bir enerji kaynağı olma, yapısında karbon içermeme ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip olma gibi avantajlarından dolayı, yenilenebilir enerji kaynakları arasında oldukça önemli bir yere sahiptir. Özellikle sudan fotokatalitik ve elektrokatalitik hidrojen üretimi ucuz ve verimli yöntemler olarak kabul edilmektedir. Bu tez çalışmasında, metal oksit ve metal sülfür katalizörlerinin sudan fotokatalitik ve sıvı/sıvı arayüzlerdeki elektrokatalitik hidrojen üretim reaksiyonları üzerine katalitik etkisi araştırılmıştır.
İlk olarak, nanofiber ve yığın yapılarında dört farklı metal oksit katalizörü (NiO, Co3O4, Mn3O4, Fe3O4) sırasıyla elektro eğirme ve katı hal tepkimesi yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Bu yapılar, taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışınları kırınımı (XRD), UV-Vis spektroskopisi (UV) ve dönüşümlü voltametri (CV) metotları kullanılarak karakterize edilmiştir. Nanofiber ve yığın halde sentezlenen bu yapılar, elektron verici olarak trietanolamin (TEOA), boyar madde olarak Eosin-Y kullanılarak, görünür bölge ışığı altında sudan fotokatalitik hidrojen üretimi için katalizör olarak kullanılmışlardır. Fotokatalitik hidrojen üretim aktiviteleri Mn3O4-B< Mn3O4-F< Co3O4-B< Co3O4-F< NiO-B< NiO-F sırasında bulunmuştur (B: yığın yapı, F: nanofiber yapı, sırasıyla 135 µmolg-1h-1, 196 µmolg-1h-1, 901 µmolg-1h-1, 5552 µmolg-1h-1, 937 µmolg-1h-1, 7757 µmolg-1h-1). Nanofiber katalizörler, lifsi yapıları nedeniyle katalizörün yüzey/hacim oranını arttırdığından yığın formlarına göre daha yüksek fotokatalitik aktivite gösterdikleri gözlenmiştir. Bunun yanında, sıcak enjeksiyon yöntemi ile tungsten sülfür ve molibden sülfür temelli katalizörler (MnWS4, FeWS4, CoWS4, NiWS4, MnMoS4, FeMoS4, CoMoS4 and NiMoS4) sentezlenerek, X-ışınları kırınımı (XRD) ile karakterize edilmiştir. Sentezlenen bu yapılar sudan fotokatalitik hidrojen üretim reaksiyonunda katalizör olarak kullanılmıştır. Tungsten sülfür temelli katalizörlerin katalitik aktivitelerinin MnWS4< FeWS4< CoWS4< NiWS4 (sırasıyla 879 μmolg -1, 1428 μmolg -1, 2409 μmolg -1 ve 5906 μmolg -1), molibden sülfür temelli katalizörlerin katalitik aktivitelerinin ise MnMoS4

Abstract:
Hydrogen as an energy carrier of the future has a very important place among renewable energy sources due to its advantages such as being a source of sustainable energy, not including carbon in the structure and having high energy density. Especially, the photocatalytic and electrocatalytic hydrogen evolution from water is considered as cheap and efficient methods. In this thesis, the catalytic effect of metal oxide and metal sulfide catalysts has been investigated on the photocatalytic hydrogen evolution from water and the electrocatalytic hydrogen evolution at liquid liquid interfaces 
Firstly, four types of metal oxide catalysts in the nanofibers and bulk forms (NiO, Co3O4, Mn3O4, Fe3O4) have been synthesized by electrospinning method and solid state method, respectively. They were characterized by using scanning electron microscopy (SEM), X-ray powder diffraction (XRD), ultra visible spectroscopy (UV) and cyclic voltammetry (CV). These synthesized nanofibers and bulk forms have been used as catalysts for the photocatalytic hydrogen evolution from water under the visible light irradiation by using triethanolamine as an electron donor and Eosin-y dye as a photosensitizer. It is found that the photocatalytic hydrogen evolution activities follow the order as: Mn3O4-B< Mn3O4-F< Co3O4-B< Co3O4-F< NiO-B< NiO-F (B: bulk structure, F: nanofiber structure, 135 µmolg-1h-1, 196 µmolg-1h-1, 901 µmolg-1h-1, 5552 µmolg-1h-1, 937 µmolg-1h-1, 7757 µmolg-1h-1 respectively). The nanofiber catalysts demonstrated much higher photocatalytic activity than bulk forms due to the effect of the increased surface to volume ratio deduced from the fibrous character. In addition, tungsten sulfide and molybdenum sulfide based catalysts (MnWS4, FeWS4, CoWS4, NiWS4, MnMoS4, FeMoS4, CoMoS4 and NiMoS4) were synthesized by hot injection method and characterized by X-ray Powder Diffraction (XRD). These synthesized structures were used as a catalyst for the photocatalytic hydrogen evolution reaction from water. The results showed that the catalytic activity of tungsten sulfide based catalysts followed the order: MnWS4< FeWS4< CoWS4 < NiWS4, (879 μmolg -1, 1428 μmolg -1, 2409 μmolg -1 and 5906 μmolg -1 respectively), the catalytic activity of molybdenum sulfide based catalysts followed the order : MnMoS4< FeMoS4< CoMoS4< NiMoS4 (137 μmolg-1h-1, 188 μmolg-1h-1, 692 μmolg-1h-1 and 2987 μmolg-1h-1 respectively). 
 Finally, NiO, Co3O4 and Mn3O4 catalysts have been reported to catalyze the hydrogen evolution reaction in liquid-liquid interface (water/1,2-dichloroethane (DCE)) system using decamethylferrocene (DMFc) as the donor and acidic protons in the water phase in the DCE phase. The catalytic activities of these structures were investigated by two-phase reactions and 4-electrode cycling voltammetry methods.