Etilendiamin bisboranın hidrolizinden hidrojen üretimi için kobalt, nikel, bakır emdirilmiş Al-sütunlu kil katalizör sentezi ve karakterizasyon çalışmaları
Synthesis of cobalt, nickel, copper impregnated Al-pillared clay catalysts for hydrogen generation by hydrolysis of ethylenediamine bisborane and characterization studies
Yazar: BATUHAN GARİP
Danışman: DOÇ. DR. FUNDA TURGUT BAŞOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Hidrojen = Hydrogen ; Hidroliz = Hydrolysis ; Kil mineralleri = Clay minerals

Özet:
Sütunlu killer, adsorpsiyon ve katalitik uygulamalar için önemli potansiyele sahip mikro-mezo gözenekli malzemelerdir. Kil minerallerinin sütunlandırılması ile gözeneklilik iyileşir, termal kararlılık ve yüzey asitliği artar, katalitik özellikler gelişir. Sütunlu killerin katalizör desteği olarak kullanılarak yapısına metal yüklenmesi katalitik aktivitesini geliştirmektedir. Hidrojen, fosil yakıtların tükenmesi ve çevre kirliliğine sebep olmasından dolayı yakın gelecekte kullanımı için umut verici bir enerji taşıyıcıdır. Hidrojenin pratik uygulamalarda kullanılabilmesi için aşılması gereken en önemli problem hidrojen depolama için verimli ve güvenli bir sistem geliştirme gerekliliğidir. Hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel verimlilikler açısından hidrojen depolama kapasitesi yüksek, oda sıcaklığında hidrojen sağlayan kimyasal bor hidrürler en önemli kimyasal depolama malzemeleridir. Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinden biri olan etilendiamin bisboran (EDAB) umut verici bir hidrojen sağlayıcısıdır ve son zamanlarda dehidrojenasyonu ile ilgili çalışmalar önem kazanmıştır. Bu çalışmada HB bentonit kili kullanılarak baz(OH)/metal oranı(Al) 2,0 olan ve 400°C'de kalsine edilmiş Al-sütunlu kil (Al-SK) sentezlenmiş, Al-SK yapısına kobalt, nikel, bakır metalleri ıslak emdirme yöntemi ile farklı metal kütlesi %/g Al-SK olacak şekilde tekli, ikili ve üçlü kombinasyonlar halinde yüklenmiştir.  Sentezlenen katalizörlerin XRD, XPS, TEM, Azot adsorpsiyon/desorpsiyon, FTIR ve TGA analizleri ile karakterizasyon çalışmaları yapılmış ve katalitik aktiviteleri etilendiamin bisboranın hidrolizinde incelenmiştir. XPS ve XRD analizleriyle metallerin Al-sütunlu kil yapısına yerleştiği ve oksit formda oldukları belirlendi. Al-sütunlu kile metal yüklemesiyle katmanlar arası mesafenin birbirine yakın olduğu ve sütunlu kilin genel yapısının korunduğu gözlenmiştir. Al-sütunlu kilin yapısına metal yüklenmesiyle mikrogözenek hacim ve BET yüzey alanı değerlerinde azalma olmuş, ortalama gözenek çaplarında ise önemli bir değişim gözlenmemiştir. FTIR analizi, oda sıcaklığında piridin adsorbe edilmiş numunelerde Bronsted ve Lewis asitliklerinin varlığını gösterdi ve piridin desorpsiyonundan sıcaklığın artmasıyla birlikte Bronsted asitliğine ait piklerde büyük bir azalma gözlenmezken, Bronsted-Lewis ve Lewis bölgelerine ait piklerde azalma görülmüştür. TGA analizi ile Al-SK yapısına metal yüklemenin termal kararlılığı arttırdığı belirlendi. EDAB'ın katalitik hidrolizinde bakır ilavesi hidrojen üretim miktarını artırmıştır. En iyi sonuçların Cu-Ni içeren katalizörde alındığı gözlenmiştir.

Abstract:
Pillared clays are micro-mesoporous materials with significant potential for adsorption and catalytic applications. With the pillarization of clay minerals, preservation improves, thermal stability and surface acidity increases, catalytic properties improve. Metal loading into the structure of pillared clays by using them as catalyst support improves their catalytic activity. Hydrogen is a promising energy carrier to use in the near future due to the decreasing of fossil fuels and their effect on environmental pollution. The most important problem that must be overcome in order for hydrogen to be used in practical applications is the need to develop an efficient and safe system for hydrogen storage. Among hydrogen storage materials, chemical boron hydrides, which have high capacity of hydrogen storage in terms of efficiencies both in gravimetrically and volumetrically and provide hydrogen at room temperature, are the most important chemical storage materials. Ethylenediamine bisborane (EDAB), one of the chemical hydrogen storage materials, is a promising hydrogen provider, and studies on its dehydrogenation have recently gained importance. In this study, Al-pillared clay (Al-PILC) with a base (OH)/metal ratio (Al) of 2.0 and calcined at 400°C was synthesized using HB bentonite clay. Cobalt, nickel and copper metals were loaded into the Al-PILC structure in single, double and triple combinations by wet impregnation method with different metal mass %/g Al-PILC. The synthesized catalysts were characterized by XRD, XPS, TEM, N2 adsorption/desorption, FTIR and TGA analyses, and their catalytic activities were examined in the hydrolysis of EDAB. From XPS and XRD analyses, it was determined that the metals were precipitated in the Al-PILC structure and were in oxide form. By loading metal into the Al-PILC, it was seen that the distance between the clay layers was close to each other and the general structure of the pillared clay was preserved. With the metal loading into the structure of Al-PILC, micropore volume and BET surface area values decreased, but no significant change was obtained in the average pore diameters. FTIR analysis showed the presence of Bronsted and Lewis acidities in samples adsorbed to pyridine at room temperature. No significant decrease in the Bronsted acidity peaks was observed with increasing temperature due to pyridine desorption, a decrease was observed in the peaks belonging to the Bronsted-Lewis and Lewis regions. By TGA analysis, it was determined that metal loading into the Al-PILC structure increased thermal stability. It was observed that the addition of copper by catalytic hydrolysis of EDAB increased the amount of hydrogen production. The best results were obtained in catalyst containing Cu-Ni.