Sodyum borhidrürün metanolitik dehidrojenasyonundan elde edilen katıların karakterizasyonu, geri dönüşümü ve hidrojen çevrimi
Characterization, recycling and hydrogen cycle of solids from methanolitic dehydrogenation of sodium borohydride
Yazar: BÜŞRA NUR KULAKLI
Danışman: DOÇ. DR. AYSEL KANTÜRK FİGEN ; PROF. DR. ÜMİT BİLGE DEMİRCİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Gravimetrik hidrojen depolama kapasitesi yaklaşık %10.8 olan sodyum borhidrürün (NaBH4) metanoliz reaksiyonu, herhangi bir katalizör kullanmaksızın hidroliz reaksiyonundan daha hızlı bir şekilde kendiliğinden gerçekleşmektedir. Sodyum borhidrürün metanolitik dehidrojenasyonu, NaBH4'ün yapısında bulunan hidrojeni açığa çıkarabilen etkili bir yöntemdir. Ayrıca, metanolün donma noktasının düşük olması 0°C altındaki sıcaklıklarda hidrojen üretmek için önemli bir avantaj sunmaktadır.
Bu çalışmada, sodyum borhidrürün farklı eşdeğer molar oranlarda (2, 4, 8, 16 ve 32) metanol (CH3OH) ile yarı kesikli sistemde gerçekleştirilen metanoliz reaksiyonlarında hidrojen gazı üretiminin tamamlanmasının ardından elde edilen yan ürünler incelenmiştir. NaBH4'ün dönüşümü 2 eşdeğer molar CH3OH ile tamamlanmayıp 4, 8, 16 ve 32 eşdeğer molar CH3OH ile NaBH4 tamamen metanolize edilmiştir. Metanoliz sonunda toplanan yan ürünlerin XRD, 11B NMR, FT-IR, SEM ve TG/DTA analiz sonuçları değerlendirildiğinde NaBH4'ün 4 eşdeğer molar CH3OH ile reaksiyonundan yan ürün olarak sodyum tetrametoksiborat (NaB(OCH3)4) yapısının elde edildiği görülmüştür. NaB(OCH3)4 yan ürününün hidroliz edilmesi ile reaksiyon sonunda elde edilen sıvı ürünün GC/FID analizi ile CH3OH olduğu tespit edilirken, devamında elde edilen sodyum tetrahidroksiborat (NaB(OH)4) yapısındaki katı hidroliz ürününün 500°C'ye kadar ısıtılması ile sodyum metaborat (NaBO2) elde edilmiştir. Böylece, NaBH4'ün metanoliz reaksiyonunun temel alındığı ve yan ürünün kullanılabilir kimyasal maddelere geri dönüşümünün mümkün olduğu kapalı bir hidrojen çevrimi oluşturulmuştur. Bu döngüde yer alan tüm atomların etkin bir şekilde yeniden kullanılmasının sağlanması ile nötr bir hidrojen çevrimi sunulmuştur.

Abstract:
The methanolysis reaction of sodium borohydride (NaBH4) with a gravimetric hydrogen storage capacity of approximately 10.8% occurs spontaneously, faster than the hydrolysis reaction without using any catalysts. Methanolitic dehydrogenation of sodium borohydride is an effective method that can release the hydrogen in the structure of NaBH4. Also, the low freezing point of methanol offers an important advantage in order to producing hydrogen at subzero temperatures.
In this study, the by-products obtained after the completed of hydrogen gas release in the methanolysis reactions of sodium borohydride with different equivalent molar ratios (2, 4, 8, 16 and 32) of methanol (CH3OH) in semi batch system were investigated. Conversion of NaBH4 with 2 equivalents of molar CH3OH was incomplete, NaBH4 was completely methanolized with 4, 8, 16 and 32 equivalents of molar CH3OH. The XRD, 11B NMR, FT-IR, SEM and TG/DTA analysis results of the by-products collected in the methanolysis reaction were evaluated and it was observed that the sodium tetramethoxyborate (NaB(OCH3)4) structure was obtained as a by-product from the reaction of NaBH4 with 4 equivalents of molar CH3OH. The liquid product obtained by hydrolysis of NaB(OCH3)4 was determined to be CH3OH by GC/FID analysis, and sodium metaborate (NaBO2) was obtained by heating the solid hydrolysis product in sodium tetrahydroxyborate (NaB(OH)4) structure up to 500°C. Thus, a closed hydrogen cycle has been established, based on the methanolysis reaction of NaBH4 and the recycling of the by-product into usable chemicals. The neutral hydrogen cycle has been presented, ensuring efficient reuse of all the atoms involved in this cycle.