Metal hidrit nanoparçacıkların sentezi ve hidrojen depolama özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of metal hydride nanoparticles and investigations of their hydrogen storage properties
Yazar: ESİN UÇAR
Danışman: PROF.DR. TEZER FIRAT
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Günümüzde kullanılan enerji kaynakları fosil yakıtlardır. Fakat bu yakıtlarınzamanla tükenmesi ve çevreye verdikleri zararın artması nedeniyle yeni bir enerjikaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. İdeal bir yakıtta olması gereken tüm özellikleresahip olan hidrojen, geleceğin yakıtı olarak düşünülmektedir.Hidrojen, fosil yakıtlar gibi zehirli gazlar çıkarmadığı için temiz ve Evren'de en fazlabulunan element olduğundan tükenmezdir. Fakat hidrojenin günlük yaşamdayaygın bir şekilde kullanılabilmesi için etkin ve güvenilir bir şekilde depolanmasıgereklidir. Yapılan araştırmalar depolama için en uygun yöntemin metal hidritleriçerisinde depolama olduğunu göstermiştir. Metal hidritler arasında da magnezyumtabanlı hidritler özellikle yüksek depolama kapasiteleri,uzuc oluşu ve bolbulunması nedeniyle öne çıkmaktadır.Hidrojen depolamanın yanı sıra günümüz teknolojisinde devrim yaratan bir diğerkonu da nanoteknolojidir. Nanoboyutlu malzemelerin teknolojiye getirdiği yenilikler,bu alana olan ilgiyi giderek artırmaktadır. Hemen her alanda kullanılabilen bumalzemelerin sahip oldukları üstün özellikler sayesinde günümüzde su tutmayan,buruşmayan kumaşlar, kir tutmayan boyalar üretilebilmektedir. Kullanıldıkları heralana yenilik getiren nanomalzemeler hidrojen depolama konusunda da önemliavantajlar sağlamaktadır. Örneğin depolamada en umut vaat edici yöntem olanhidrit malzemeler nanoboyuta indirildiğinde hidrojen depolama kapasiteleriartmaktadır.Bu çalışmada mekanik öğütme tekniği kullanılarak MgH2 ve Mg2NiH4nanoparçacıklar hazırlandı. Hidrit oluşum sıcaklığı literatürde 250-300oC iken, buyöntemle tek adımda ve oda sıcaklığında nanoboyutlu hidrit malzemeler eldeedildi. Bunun için hazırlanan bilgisayar kontrollü sistemde kullanılan LabVIEWtabanlı bilgisayar programı ve öğütme işlemi için kullanılan yüksek basıncadayanıklı hazne bu çalışma kapsamında tasarlandı. Tasarlanan hazne üzerindekiiibasınç sensörü sayesinde, deney süresince hazne içerisindeki basınç değişimigözlendi.Deneylerde %100 Mg, %75 Mg-%25 Ni ve %50 Mg-%50 Ni olmak üzere 3 grupbaşlangıç malzemesi kullanıldı. İlk aşamada, başlangıç malzemeleri paslanmazçelik hazne içerisinde, paslanmaz çelik toplar yardımıyla öğütüldü. Hidrojenbasıncı, öğütme hızı, malzeme / top ağırlıkları oranı ve nikel katkısı gibiparametreler değiştirilerek hidrit nanoparçacıklar sentezlendi.Daha sonra bu parametrelerin, sentezlenen malzemelerin hidrojen depolamamiktarına ve depolama hızına etkisi incelendi. Bu inceleme için x-ışınları tozkırınım desenlerinden ve basınç-zaman eğrilerinden yararlanıldı.Yapılan incelemede öğütme hızı ve malzeme / top oranı artırıldığında, oluşan hidritmiktarının arttığı, hidrojen basıncı ve nikel katkısı artırıldığında ise hidritleşmehızının arttığı görüldü.Ölçümlerin sonucunda, mekanik öğütme yöntemiyle MgH2 ve Mg2NiH4 hidritnanoparçacıkların tek adımda ve oda sıcaklığında sentezlenebildiği ve değiştirilenher parametrenin hidrit miktarına ve hidritleşme hızına olumlu etkileri olduğugözlendi.Anahtar Kelimeler: Hidrojen Depolama, Metal Hidrit, Nanoparçacık, MekanikÖğütme

Abstract:
Recently, fossil fuels are used as energy sources. But these fuels are exhaustingand they damage the environment. For this reason, new energy sources areneeded. Hydrogen, possessing all properties of an ideal fuel, is a good candidatefor being future?s fuel.Hydrogen is clean and inexhaustible because it does not exhaust poisonous gaseslike fossil fuels and it is the most plentiful element in universe. However, hydrogenneeds to be stored effectively and reliably for a wide-spread use in the daily life.The most effective way of doing this is to store hydrogen into metal hydrides.Among the metal hydrides, magnesium based hydrides are particularly importantbecause of their high storage capacity, low cost and abundance.Besides the hydrogen storage, nanotechnology is another important field intoday?s technology. Nowadays, there is an increasing interest on nanotechnologydue to the different properties of the nanosized materials. By the use of thesenovel materials, crumpled fabrics and stainless dyes are produced. These novelproperties of nanomaterials provide many advantages for the storage of hydrogen.For example, when the size of hydrides are decreased to nanosizes, their storagecapacity increases.In this work, MgH2 and Mg2NiH4 nanoparticles were synthesized by usingmechanical milling method. This method is an advantageous way for synthesizingthe nanoparticles. Because, hydrides can be synthesized by a single step at theroom temperature, while the formation temperature of hydrides are 250-300°C inthe literature.In doing the experiments, a computer controlled system was established.Lab.VIEW based computer program and the reactor, included in this system, weredesigned in our laboratory. During the experiments, the pressure change wasobserved by pressure sensor on the designed reactor.ivIn these experiments, basically 3 group precursors %100 Mg, %75 Mg-%25 Ni ve%50 Mg-%50 Ni were used. As a first step, precursors were milled in the stainlesssteel reactor with stainless steel balls. Hydride nanoparticles were synthesized bychanging the parameters such as hydrogen pressure, milling speed, sample/ballweight ratio and nickel added.Furthermore, the effect of these parameters on the amount of hydrogen and therate of storage was investigated by using x-ray powder diffraction patterns andpressure-time curves.It is observed that the increase in the milling speed and sample/ball weight ratiocauses an increase in the amount of hydride. Similarly, when the amount ofpressure and amount of nickel increase, the rate of hydrogenation also increases.The result of the measurements shows that, MgH2 and Mg2NiH4 hydridenanoparticles can be synthesized by a single step at the room temperature byusing mechanical milling method. It is seen that each varied parameter positivelyaffect the rate of hydrogenation.Keywords: Hydrogen Storage, Metal Hydride, Nanoparticle, Mechanical Milling