Metanın kısmi oksidasyonu için bor katkılı Al2o3 destekli katalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of boron doped Al2o3 supported catalysts for partial oxidation of methane
Yazar: AHMED KENCO
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALİ FARUK ÖKSÜZÖMER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hidrojen arabalarda, evlerde, taşınabilir güçte ve daha birçok alanda kullanılabilecek esnek bir yakıt olup dünyanın en temiz enerji kaynağı olarak düşünülmektedir. Ucuz üretimi , kullanılabilmesi , kolay depolanabilmesi ve dönüştürülebilmesi konuları hem üniversitelerin hem de ilgili sanayi kuruluşların en önemli araştırma konularıdır. 
Hidrojen, fosil yakıtlar, biyokütle ve elektrikle su elektrolizini içeren çeşitli yerli kaynaklardan üretilebilir, ancak fosil yakıtlar endüstriyel hidrojenin baskın kaynağıdır. Fosil yakıtların arasında en yüksek (H/C=4) oranını oluşturan bileşik metan olmaktadır.
Hidrojen üretiminde kullanılan su buharı-hidrokarbon reformingi yönteminin düşük karbon birikimi, yüksek basınçta işlenmeye uygun, ürünün kolay ayrılması gibi avantajlar içerdiği için günümüzde en çok kullanılan yöntemlerden biridir. Fakat, bu prosesin reaksiyonu endotermik bir reaksiyon olduğu için dışaıdan ısı gereksinimi vardır. Ayrıca, karışık ve hacimli ekipman dizaynı gibi bir çok dezavantajları vardır. Dolayısıyla son günlerde alternatif yöntemlere başvurmaya başlandı ve yapılan araştırmalara göre katalitik kısmi oksidasyon prosesi iyi bir alternatif olarak öne çıkmıştır. 
Kısmi oksidasyon kısmen ekzotermik bir prosestir. Bu yüzden dışaıdan ısı gereksinimi bulunmamaktadır. Ek olarak bu proses buhar reforminginden 10-100 kat daha hızlıdır. Bunun için küçük hacimli reaktörler kullanılabilir ve böylece kurulum maliyeti ile enerji maliyetini azaltılarak hidrojen üretimini daha ucuz hale getirilmektedir.
Literatürde metanın kısmi oksidasyon reaksiyonu için soy metal bazlı katalizörler (Rh, Pt, Ru, Ir) ile nikel (Ni) bazlı katalizörlerin oldukça aktif ve selektif oldukları tespit edilmiştir. Yalnız, soy metal bazlı katalizörler çok aktif ve karalı olmasına rağmen doğada az olması ve maliyeti çok yüsek olması en önemli dezavantajlarındandır. Alternatif olarak Ni katalizörün en iyi olduğu düşünülmüştür. Bu katalizörün de sinterleşme, kok oluşumu, faz değişimi gibi sorunları vardır. Bu sorunları çözmeye yönelik çalışmalar sürmektedir. İşte bu çalışmada katalizör performansı ve dayanıklılığında artış sağlayabileceği düşünülen borun, farklı sıralamalarla nikel yanına emdirilmesi ile reaksiyon performansları üzerindeki etkisi incelenmiştir.
Katalizör desteği olarak yüksek performans sağladığı bilinen ɣ-Al2O3 kullanılmıştır. Üzerine nikel ağırlıkça oranı %10 olacak şekilde sıralı ıslak emdirme ve aynı anda ıslak emdirme yöntemi kullanılarak bor ilavesi ağırlıkça %1, %3, %5, %7 ve %10 olacak şekilde gerçekleştirilmiştir.
Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, bor katkısı ile nikel parçacık boyutlarının arttığı ancak karbonlaşma hızının azaldığı gözlemlenmiştir. Yüksek oranda bor katkılaması katalizörün reaksiyon performansını bir miktar düşürmüştür. Ancak, metanın kısmi oksidasyon reaksiyonu için oldukça aktif olan nikel metalinin az miktarda bor (ağ. %1) ile aynı anda emdirilmesi hem daha yüksek katalizör performansı sağlamış hem de karbonlaşma hızını 3'te 1 oranında azaltmıştır. Bu nedenle B-1B10Ni/Al2O3 katalizörünün 10Ni/Al2O3 katalizörüne iyi bir alternatif olabileceği düşünülmüştür.

Abstract:
Hydrogen is a flexible fuel that can be used in cars, homes, portable power and more, and is considered the world's cleanest energy source. Inexpensive production, usability, easy storage and conversion are the most important research topics of both universities and related industrial organizations.
Hydrogen can be produced from a variety of indigenous sources, including fossil fuels, biomass, and electricity and water electrolysis. However, fossil fuels are the dominant source of industrial hydrogen. Among the fossil fuels, the compound that creates the highest (H/C=4) ratio is methane.
The water vapor-hydrocarbon reforming method used in hydrogen production is one of the most used methods today, as it has advantages such as low carbon accumulation, suitable for processing at high pressure, and easy separation of the product. However, since the reaction of this process is an endothermic reaction, it requires external heat. In addition, it has many disadvantages such as complex and bulky equipment design. Therefore, in recent days, alternative methods have started to be applied and according to the researches, the catalytic partial oxidation process has come to the fore as a good alternative.
Partial oxidation is a partially exothermic process. Therefore, there is no need for external heat. In addition, this process is 10-100 times faster than steam reforming. Small-volume reactors can be used for this, thus reducing the installation cost and energy cost, making hydrogen production cheaper.
In the literature, it has been determined that noble metal-based catalysts (Rh, Pt, Ru, Ir) and nickel (Ni)-based catalysts are quite active and selective for the partial oxidation reaction of methane. However, although noble metal-based catalysts are very active and stable, their low cost and high cost are among the most important disadvantages. Alternatively, the Ni catalyst was considered to be the best. This catalyst also has problems such as sintering, coke formation, and phase change. Studies to solve these problems are ongoing. In this study, the effect of boron, which is thought to increase the catalyst performance and durability, on the reaction performances by impregnating it with nickel in different sequences was investigated.
ɣ-Al2O3, which is known to provide high performance, was used as catalyst support. Boron addition was carried out at 1%, 3%, 5%, 7% and 10% by weight by using sequential wet impregnation and simultaneous wet impregnation with a nickel weight ratio of 10%.
When all the results were evaluated, it was observed that the nickel particle sizes increased but the carbonization rate decreased with the addition of boron. High boron doping slightly decreased the reaction performance of the catalyst. However, simultaneous impregnation of nickel metal, which is very active for the partial oxidation reaction of methane, with a small amount of boron (1% wt.) provided both higher catalyst performance and reduced the carbonization rate by 1/3. For this reason, it was thought that the B-1B10Ni/Al2O3 catalyst could be a good alternative to the 10Ni/Al2O3 catalyst.