Metal-organik çerçeveli hibrit kompozit malzeme geliştirilmesi ve hidrojen depolama karakteristiği
Development of metal-organic framework structured hybrid composite materials and hydrogen storage characteristics
Yazar: ZEYNEL ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. GÖKSEL ÖZKAN ; DOÇ. DR. ABDURRAHMAN ASAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yapılan çalışmanın ilk aşamasında; yeni bir metal organik malzeme geliştirmek amacıyla 1,10 fenantrolin (Phen) ve N,N dietil nikotinamid (Dena) ligantlarını içeren, kobalt, demir, bakır, çinko ve nikel geçiş metallerinin trimesik (TMA) ve teraftalik (TFA) asitlerle farklı kompleksleri (15 adet) normal koşullar altında sentezlenmiştir. Daha sonra sentezlenen maddelerin; termal (TGA), FT-IR, katı hal UV, elementel (EA), toz XRD ve yüzey alanı analizleri ile karakteristik özellikleri belirlenerek moleküler yapıları aydınlatılmıştır. Bunun yanında, yapıları aydınlatılmış bileşiklerden, Zn-Phen-TFA (ZOMOF-3), Cu-Phen-TMA (ZOMOF-6) ve Cu-Dena-TMA (ZOMOF-14) bileşiklerinin, çok duvarlı karbon nano tüp (MWCNT), y-zeolit ve platin yüklü aktif karbon katkı maddeleriyle kompozitleri hazırlanmıştır. Kompozitlerin de benzer analizleri deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. İkinci aşamada; tüm örneklerin, deneysel toz-XRD verileri ve tahmini moleküler yapıları yardımıyla teorik kristal yapıları Rietveld arıtımı ve enerji minimizasyonu hesaplamalarıyla elde edilip gerçek kristal sistemini ne derece temsil ettikleri hesaplanmıştır. Çalışmaların üçüncü aşamasında, karakterize edilmiş maddelerin ve kompozitlerinin hidrojen depolama kapasiteleri, yüzey alanı ve gözenek dağılımları deneysel olarak ölçülmüştür. Son olarak, teorik modelleri oluşturulan depolayıcıların hidrojen depolama kapasiteleri, yüzey alanları ve gözenek dağılımları deneysel ölçüm koşullarında teorik olarak belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. Tüm analiz, benzetim ve ölçümler sonucu en yüksek hidrojen depolama performansına sahip örneklerin, kütlece yüzde hidrojen depolama olarak 2,65 ve 2,58 performanslarla sırasıyla ZOMOF-6 ve ZOMOF-14 kodlu örnekler oldukları belirlenmiştir. En yüksek hidrojen depolama kapasitesine sahip kompozitlerin ZOMOF14 kullanılarak hazırlanan kütlece % 4 ve % 8 y-zeolit takviyeli kompozitleri olduğu ve 77 K ve 1 bar basınçta hidrojen depolama kapasiteleri sırasıyla kütlece % 2,14 ve % 2,12 olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In the present study, 15 different compounds of 1,10 Phenantroline (Phen) and Diethyl nicotinamide (Dena) ligands involving cobalt, iron, copper, zinc and nickel transition metal with trimesic acid (TMA) and terephtalic acid (TFA) were synthesized in standard temperature and pressure conditions as a first stage. Then, the molecular structures of synthesized materials were clarified by using characteristic properties determined with thermal (TGA), FT-IR, solid state UV, elemental (EA), powder-XRD and surface area analysis. In addition to that, Zn-Phen-TFA (ZOMOF-3), Cu-Phen-TMA (ZOMOF-6) and Cu-Dena-TMA (ZOMOF-14) composites were prepared along with multi-walled carbon nano-tube (MWCNT), y-zeolite and platinum loaded activated carbon additives. Similar characterization analyses were carried out for the composites as well. In the second stage, theoretical crystal structures of all samples were determined by using Rietveld refinement and energy minimization with the support of experimental powder-XRD and estimated molecular structures to what extent they represent real crystal system. In the third stage, Hydrogen storage capacities, surface areas and pore size distributions of the characterized materials and their composites were measured experimentally. Finally, hydrogen storage capacities, surface area and pore size distributions of the theoretical models of storage materials were determined and compared under the experimental measurement conditions. Current results demonstrate thatZOMOF-6 and ZOMOF-14 have the highest hydrogen storage capacities with 2.65 and 2.58 weight percent of hydrogen storage performance as a result of analysis, simulation and measurements. On the other hand, 4 wt. % and 8 wt. % y-zeolite additive contained ZOMOF-14 composites have the highest hydrogen storage capacities with 2.14 % and 2.12 wt. % consecutively at 77 K and 1 bar.