Amonyaktan hidrojen üretimi için seryum oksit, alumina ve silikat ile desteklenmiş demir, nikel ve kobalt içeren katalizörlerin sentez, karakterizasyon ve reaksiyon çalışmaları
Synthesis, characterization and reaction studies on cerium oxide, alumina and silicate supported iron, nikel and cobalt incorporated catalysts for hydrogen production
Yazar: İBRAHİM ETHEM DOĞANAY
Danışman: DOÇ. DR. DİLEK VARIŞLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Günümüzde, özellikle PEM yakıt hücreleri için gerekli olan COx içermeyen hidrojen üretimi için amonyak önemli bir kaynak olarak ön plana çıkmıştır. Bu tez çalışmasında, amonyaktan yüksek verimle hidrojen üretmek için seryum oksit (CeO2), alumina (Al2O3) ve silikat (SiO2) olmak üzere farklı destek maddeleri üzerine ıslak emdirme yöntemi ile  demir, nikel ve kobalt öncül maddeleri ağırlıkça metal öncül/destek maddesi 0,05-1,0 aralığında olmak üzere yüklenerek katalizörler sentezlenmiş, yapısal özellikleri Azot fizisorpsiyon, XRD, SEM-EDS teknikleri ile  belirlenmiş ve aktivite testleri sabit yataklı sürekli akış reaktöründe 0,1 g katalizör kullanılarak 60 ml/dak saf amonyak akışında 400-700oC reaksiyon sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Seryum oksit destek maddesi amonyaktan hidrojen üretiminde 600oC sıcaklıkta %70 dönüşüm verirken, demir yüklü katalizörleri %90 üzerinde dönüşüm vermiştir. Kobalt nitrat kullanılarak hazırlanmış olan Co@CeO2 tipi katalizörler ve nikel klorit kullanılarak hazırlanan Ni@CeO2 tipi katalizörler ile aynı koşullarda gerçekleştirilen deneylerde toplam dönüşüme ulaşılmıştır. Alumina destek maddesi ile hazırlanan katalizörlerden ağırlıkça metal/alumina oranı 0,4 ve üstü katalizörlerle aynı çalışma şartlarında %90'a yakın amonyak dönüşümü elde edilirken nikel ve kobalt yüklü katalizörlerde en yüksek dönüşümü veren optimum metal yüklemesi olduğu, bu değerin üzerine çıkıldığında dönüşümde düşüş gerçekleştiği dikkati çekmektedir.Bu bağlamda Ni@Al2O3(0,2) ve Co@Al2O3(0,4) katalizörleri ile 600oC sıcaklıkta toplam dönüşüme ulaşılmaktadır. Nikel yüklü silikat destekli katalizörlerden Ni@SiO2(0,4) katalizörü ile ise aynı koşullarda en yüksek dönüşüm vermeltedir. Elde edilen sonuçlar metal yükleme miktarı, metal dağılımı, yüzey alanı, metal-destek ilişkisi gibi özelliklerin katalizörlerin hem yapısal hem de amonyaktan hidrojen dönüşmüne büyük etkisi olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Nowadays, ammonia has become an important raw material for the production of COx free hydrogen which is especially necessary for PEM fuel cells. In this thesis work, with the aim of producing hydrogen from ammonia at high yield, cerium oxide (CeO2), alumina (Al2O3) and silicate (SiO2) supported catalysts with the incorporation of different metals, namely, iron, nikel and cobalt, were prepared. Wet impregnation procedure was used in the synthesis of the catalysts and the weight ratio of metal precursor to support material was changed between 0.05 and 1.0. Physical and structural properties of catalysts were determined by different techniques such as Nitrogen Physisorption, XRD, SEM-EDS. The catalytic activities of catalysts on ammonia decomposition reaction to produce hydrogen were tested in a fixed bed flow reactor using 0.1 g of fresh catalyst in a temperature range of 400  to 700 oC under the continous flow of pure ammonia with a rate of 60 ml/min While pure cerium oxide which was used as a support material for the synthesized catalysts as well, gave 70 % ammonia conversion at 600oC, iron supported ones gave ammonia conversion over 90%.  Under the same reaction conditions overall conversion could be achieved over Co@CeO2  type catalysts, which were prepared by using cobalt nitrate, and Ni@CeO2 type catalysts, which were prepared by using nikel chloride.Among the alumina supported catalysts, iron incorporated ones with a loading ratio of 0,4 and above, gave approximatelly 90 % ammonia conversion. In the case of nikel and cobalt incorporated alumina supported catalysts an optimum value for metal loading was observed to obtain the highest activity. Catalysts namely, Ni@Al2O3(0,2) and  Co@Al2O3(0,4) gave overall conversion at a reaction temperature of 600oC. Among the silicate supported nikel incorporated catalysts Ni@SiO2(0,4) gave the highest activity under the same reaction condition. Results of the experiments indicated that parameters such as metal loading ratio, metal dispersion, surface area of catalyst and metal-support interaction had great affects on the actvities of cerium oxide, alumina and silicate supported metal incorporated catalysts for hydrogen production from ammonia.