Mezogözenekli alumina destekli katalizörlerin mikrodalga reaktörde hidrojen üretimi için uygulaması
Application of mesoporous alumina supported catalyst on microwave reactor for hydrogen production
Yazar: ZEHRA NUR YILDIZ
Danışman: PROF. DR. DİLEK VARIŞLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında amonyak parçalanma reaksiyonu ile karbon emisyonsuz hidrojen üretimi için yüksek aktivite ve kararlılığa sahip katalizörlerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Destek malzeme olarak ticari alümina, aktif metal olarak molibden tercih edilmiş olup kütlece % 10-40 molibden içeren katalizörler emdirme yöntemiyle sentezlenmiştir. Bu katalizörlerde düzenleyici etkisini incelemek için kütlece %4 olmak üzere La, Ba, Ca, Ce, metalleri emdirme yöntemiyle katalizöre eklenmiştir. Hazırlanan düzenleyici katkılı ve katkısız katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini tespit etmek amacıyla, ICP-OES, X-Işını kırınımı, azot fizisorpsiyon yöntemleri kullanılmıştır. Mikrodalga ısıtma sisteminde 36000 ml / gkat.sa saf alümina akışında, 250-500oC sıcaklık aralığında atmosfer basıncında gerçekleştirilen reaksiyon çalışmaları sonucunda, düzenleyici içermeyen katalizörlerde metal yükleme miktarının kütlece %10'dan %30'a kadar çıkarılması ile aktif molibden parçacıkların artması sonucu amonyak dönüşümünün arttığı; buna karşın molibden yüklemesinin %40'a çıkarılması ile yüzey alanındaki önemli düşüş sonuçlarında dönüşümün azaldığı görülmüştür. Mikrodalga reaktör sisteminde 400 oC sıcaklıkta tüm katalizörler için tam dönüşüm elde edilirken, konvansiyonel reaktörde 550oC düzeylerine kadar ihmal edilebilir düzeyde olan dönüşümün 650oC-700oC sıcaklığında toplam dönüşümlerine ulaşılmaktadır. Alumina destekli katalizörlerin, mikrodalga absorbe etme özelliğinin, hedeflen reaksiyon sıcaklığına ulaşılması için yeterli olmamasından dolayı, katalizörler 1/1 oranında mezogözenekli karbon ile karıştırılarak mikrodalga reaktör sisteminde test edilmiştir. Mikrodalga reaktörün seçici, hacimsel ısıtma sağlaması, sıcak nokta oluşumu gibi özellikleri ile katalizörlerin amonyak dönüşümünde daha yüksek aktivite sergilemesini sağlamıştır. Alumina destekli kütlece %10 molibden içeren katalizörlerde eklenen düzenleyiciler içinde en yüksek etkiyi seryumun yaptığı ve molibden miktarındaki artış ile birlikte lantanyumun önemli etkisi görülmüştür. Optimum düzenleyici miktarı ise %4 olarak belirlenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin reaksiyon sonrasına yapılarını koruduğu karakterizasyon çalışmaları ile ortaya konulurken,12 saat boyunca aktivitelerini koruduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, we aimed to develop catalysts with high activity and stability for carbon emission-free hydrogen production by ammonia decomposition reaction. Commercial alumina was preferred as support material, molybdenum as active metal and catalysts containing 10-40% molybdenum by mass were synthesized by impregnation method. In order to examine the regulating effect in these catalysts, La, Ba, Ca, Ce, 4% by mass, were added to the catalyst by the metal impregnation method. ICP-OES, X-Ray diffraction, nitrogen physisorption methods were used to determine the physical and chemical properties of the prepared catalysts with and without promoters. In the microwave heating system, as a result of the reaction studies carried out at 36000 ml / gkat.h pure alumina flow at atmospheric pressure in the temperature range of 250-500oC, in catalysts without promoters, increasing the metal loading amount from 10% to 30% by mass and increasing the active molybdenum particles, resulting in ammonia conversion. On the other hand, increasing the molybdenum loading to 40% resulted in a significant decrease in surface area resulting in a decrease in conversion. While full conversion is obtained for all catalysts at 400 oC temperature in the microwave reactor system, the total transformations of the negligible conversion up to 550oC levels are reached at 650oC-700oC in the conventional reactor. The catalysts were mixed with 1/1 mesoporous carbon and tested in the microwave reactor system because microwave absorption of alumina supported catalysts is not sufficient to reach the target reaction temperature. The features of the microwave reactor, such as selective, volumetric heating and hot spot formation, enabled the catalysts to exhibit higher activity in ammonia conversion. In alumina supported catalysts containing 10% molybdenum by mass, cerium had the highest effect among the added proomoters, and with the increase in molybdenum amount, lanthanum had a significant effect. The optimum amount of promoter was determined as 4%. While it was demonstrated by characterization studies that the synthesized catalysts preserved their structures after the reaction, it was determined that they retained their activity for 12 hours.