Yeni ni-al katalizörlerinin sentez şartlarının metanın kuru reformlanma reaksiyonuna etkisi
Effect of synthesis conditions of new Ni-Al catalysts on the dry reforming reaction of methane
Yazar: AYŞİN MUDANYALI
Danışman: PROF. DR. SENA YAŞYERLİ ; DOÇ. DR. GAMZE BOZKURT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Alümina = Alumina ; Hidrojen = Hydrogen ; Hidrotermal = Hydrothermal ; Katalizörler = Catalysts ; Nikel = Nickel

Özet:
Yüksek lisans tezinde metanın kuru reformlanma reaksiyonu için yeni alümina (Al2O3) destekli Nikel (Ni) katalizörleri hidrotermal ve emdirme yöntemleri ile hazırlanarak aktivite testleri gerçekleştirilmiştir. Al2O3 destek malzemelerinin hidrotermal yöntem ile hazırlanmasında farklı Al/Na oranları ve hidrotermal bekletme süreleri kullanılmıştır. Destek malzemeleri ve katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin belirlenebilmesi amacıyla N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, SEM-EDS, DRIFTS ve TGA karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. XRD analizleri farklı Al/Na ve bekletme süreleri sonunda Al2O3 destek malzemelerinin γ-Al2O3 kristal yapısına sahip olduğunu göstermiştir. 10 saatlik bekletme süresinde destek malzemesinde Al(OH)3 ait pikler de bulunmaktadır. Bu sonuç 10 saat hidrotermal bekletme süresinin γ-Al2O3 kristal yapısı oluşumu için yetersiz olduğunu göstermektedir. Hidrotermal yöntem ile hazırlanan Al2O3 destek malzemelerinin ve Al2O3 destekli Ni katalizörlerinin mezogözenekli yapıda olduğu N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analiziyle belirlenmiştir. Hazırlanan katalizörler 750°C sıcaklıkta hidrojen gazı ortamında 1 saat indirgendikten sonra, metanın (CH4) kuru reformlanma reaksiyonunda aktiviteleri incelenmiştir. Katalitik aktivite testleri dolgulu kolon reaktörde 750℃ sıcaklıkta ve atmosferik basınç altında CH4/CO2/Ar:1/1/1 oranında gaz beslemesi ile gerçekleştirilmiştir. Al2O3 sentezi sırasında kullanılan Al/Na oranı katalizörün katalitik aktivitesini önemli ölçüde etkilemiştir. Al/Na oranı 1 olan ve 20 saat hidrotermal bekletme süresine sahip Al2O3 destekli emdirme yöntemi ile hazırlanmış 8Ni@1,00Al2O3(20) katalizörü ile en yüksek CH4 (%88) ve CO2 (%82) dönüşümleri reaksiyon çalışmasının başlangıcında elde edilmiştir. 8Ni@1,00Al2O3(20) katalizörü reaksiyon süresi boyunca kararlılığını korumuştur. Emdirme yöntemi ile ilave edilen Ni miktarı %12 olduğunda (12Ni@0,33Al2O3(20)) başlangıç metan ve karbondioksit dönüşümleri sırasıyla %53'den %60'a ve %72'den %83'e ulaşmıştır. 8Ni@0,33Al2O3(20) ve 12Ni@0,33Al2O3(20) katalizörlerinin reaksiyon sonunda TGA ile belirlenen karbon oranları sırasıyla %0,7 ve %11,4 olarak belirlenmiştir. 8Ni@0,33Al2O3(20) katalizörünün aktivite testi sonrasında alınan SEM fotoğraflarında filament karbon oluşumu gözlenmemiştir. Çalışmanın son aşamasında, Ni katalizörlere Lantan (La) ilavesinin etkisi incelenmiştir. Hazırlanan Ni-La bazlı katalizörlerin metanın kuru reformlanma reaksiyonunda katalitik aktivite göstermediği gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, novel nickel (Ni) catalysts supported on alumina (Al2O3) were synthesized by hydrothermal and impregnation methods for methane dry reforming. Hydrothermal synthesis of Al2O3 supports involved varying Al/Na ratios and hydrothermal treatment times. The physicochemical properties of the supports and catalysts were characterized by N2 adsorption-desorption, XRD, SEM-EDS, DRIFTS, and TGA. XRD analyses revealed the γ-Al2O3 crystal structure of Al2O3 supports for different Al/Na ratios and treatment times. Al(OH)3 peaks were also observed in the support for a 10-hour treatment time, indicating insufficient time for γ-Al2O3 formation. N2 adsorption-desorption analysis confirmed the mesoporous structure of both hydrothermally synthesized Al2O3 supports and Al2O3-supported Ni catalysts. The prepared catalysts were reduced in H2 at 750 °C for 1 h and then evaluated for their activity in methane dry reforming. Catalytic activity tests were conducted in a packed column reactor at 750 °C and atmospheric pressure with a gas feed of CH4/CO2/Ar:1/1/1. The Al/Na ratio used during Al2O3 synthesis significantly influenced the catalyst's activity. The highest CH4 (%88) and CO2 (%82) conversions were achieved initially with the 8Ni@1.00Al2O3(20) catalyst prepared by the impregnation method using an Al/Na ratio of 1 and a 20-hour hydrothermal treatment time. The 8Ni@1.00Al2O3(20) catalyst maintained its stability throughout the reaction. When the Ni loading was increased to 12% by the impregnation method (12Ni@0.33Al2O3(20)), the initial methane and carbon dioxide conversions increased from 53% to 60% and 72% to 83%, respectively. The carbon contents of the 8Ni@0.33Al2O3(20) and 12Ni@0.33Al2O3(20) catalysts determined by TGA after the reaction were 0.7% and 11.4%, respectively. SEM images of the 8Ni@0.33Al2O3(20) catalyst after the activity test showed no filamentous carbon formation. In the final stage of the study, the effect of lanthanum (La) addition to Ni catalysts was investigated. The prepared Ni-La-based catalysts exhibited no catalytic activity for methane dry reforming.