Sodyum borhidrürün hidrolizinden hidrojen üretimi için bentonit ve zeolit destekli metal borür katalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of metal boride catalysts supported on bentonite and zeolite for hydrogen generation from the hydrolysis of sodium borohydride
Yazar: ESİN KALPAZAN
Danışman: DOÇ. DR. İLKER KIPÇAK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hidrojen geleceğin çevresel açıdan tercih edilen temiz yakıtı olarak kabul edilmektedir. Yüksek gravimetrik ve hacimsel hidrojen depolama kapasitesine sahip sodyum borhidrür en umut verici kimyasal hidrürler arasında yer almaktadır. Ancak bu kimyasaldan hızlı bir şekilde hidrojen üretimi için katalizöre ihtiyaç duyulmaktadır. Bu doğrultuda çalışmada, sodyum borhidrürün hidrolizinden hidrojen üretiminde kullanılmak üzere bentonit ve zeolit destekli kobalt borür katalizörleri sentezlendi. Katalizör yapısına kobalta ilave olarak eklenen çeşitli metallerin (Cr, Cu, Mo, Sn, W, Zn, Zr) katalitik aktiviteye etkileri incelendi. Katalizörün hazırlanması sırasında çözücü olarak su veya etanol kullanılmasının katalitik özelliklere etkisi araştırıldı. Ayrıca destekli katalizörlerin yapısal ve karakteristik özelliklerinin aydınlatılması için XRD, XRF, BET, SEM-EDS, FTIR, ICP-MS ve XPS analizleri yapıldı. Çözücü olarak su ile hazırlanan katalizörlerin XRD analizinde amorf yapısından dolayı CoB için belirgin bir pik gözlenmezken, etanol kullanılarak hazırlanan katalizörlerde karakteristik pikler gözlendi. Sodyum borhidrürün hidrolizinden hidrojen üretimi üzerine destek malzemesi türü, metal türü ve oranı, çözücü türü, katalizör miktarı, NaOH ve NaBH4 derişimi, sıcaklık ve zaman parametrelerinin etkileri incelendi. Hazırlanan katalizörler üzerinde yürüyen tepkimelerin kinetiği aydınlatıldı ve aktivasyon enerjileri hesaplandı. Ayrıca katalizörlerin tekrar kullanılabilirlikleri araştırıldı. Kütlece %5 NaBH4 ve %5 NaOH ile 50 °C'de gerçekleştirilen deneylerde CoB/Bentonit ve CoB/Zeolit katalizörleri için hidrojen üretim hızlarının sırasıyla 576,54 ve 1732,02 mL/dk.gkat olduğu bulundu. Bu katalizörler için aktivasyon enerjileri sırasıyla 55,62 ve 44,98 kJ/mol olarak hesaplandı. Çözücü olarak etanol ile hazırlanan CoB/Zeolit-E katalizörü için hidrojen üretim hızı ve aktivasyon enerjisi sırasıyla 2400 mL/dk.gkat ve 54,85 kJ/mol olarak bulundu. Etanolle hazırlanan zeolit destekli katalizöre düşük oranda metal katkısının katalizörün aktivitesini artırdığı gözlendi. En yüksek hidrojen üretim hızı krom katkılı 1Cr9CoB/Zeolit-E katalizörü üzerinde 4711,02 mL/dk.gkat olarak gerçekleşti. Bu katalizör için aktivasyon enerjisinin 73,13 kJ/mol olduğu bulundu. CoB/Bentonit katalizörünün 4 döngü sonunda katalitik aktivitesinin %95'ini, CoB/Zeolit katalizörünün ise 5 döngü sonunda katalitik aktivitesinin %73'ünü koruduğu saptandı.

Abstract:
Hydrogen is recognized as the environmentally preferred clean fuel of the future. Sodium borohydride with high gravimetric and volumetric hydrogen storage capacity is one of the most promising chemical hydrides. However, to produce hydrogen from this chemical rapidly, a catalyst is needed. In this study, bentonite and zeolite supported cobalt boride catalysts were synthesized for using them in the production of hydrogen from the hydrolysis of sodium borohydride. The effect of metal dopants on the catalytic activity was investigated by adding various metals (such as Cr, Cu, Mo, Sn, W, Zn, Zr) to the catalyst structure. The effects of using water or ethanol as solvents during the preparation of the catalysts were also investigated. In addition, the prepared catalysts were characterized by XRD, XRF, BET, SEM-EDS, FTIR, ICP-MS and XPS techniques. The XRD analysis showed that the catalysts prepared with water did not show any significant peak for the CoB due to its amorphous structure while some characteristic peaks were observed in the catalysts prepared with ethanol. The effects of supporting material type, metal type and ratio, solvent type, catalyst amount, NaOH and NaBH4 concentrations, temperature and time parameters on the hydrogen generation from the hydrolysis of sodium borohydride were investigated. The reaction kinetics was investigated and the activation energies were calculated. In addition, the reusability of the catalysts was investigated. In the solution of 5 wt.% NaBH4 and 5 wt.% NaOH at 50 °C, hydrogen generation rates for CoB/Bentonite and CoB/Zeolite catalysts were found as 576.54 and 1732.02 mL/min.gcat, respectively. Activation energies for these catalysts were calculated as 55.62 and 44.98 kJ/mol, respectively. For CoB/Zeolite-E catalyst prepared with ethanol, hydrogen generation rate and activation energy were found as 2400 mL/min.gcat and 54.85 kJ/mol, respectively. It was observed that a low amount of metal addition to the zeolite supported catalyst prepared with ethanol increased the activity of the catalyst. The highest hydrogen generation rate of 4711.02 mL/min.gcat was observed when the chromium doped 1Cr9CoB/Zeolite-E catalyst was used. The activation energy for this catalyst was found as 73.13 kJ/mol. It was determined that the CoB/Bentonite catalyst retained 95% of its catalytic activity after 4 cycles and the CoB/Zeolite catalyst retained 73% of its catalytic activity after 5 cycles.