Grafen hidrojele desteklenmiş geçiş metal nanopartikülleri: Tek kapta sentezi ve amonyak boranın hidrolizinden hidrojen üretiminde katalitik etkinlikleri
Graphene hydrogel supported transition metal nanoparticles: One-pot synthesis and catalytic activity i̇n hydrogen generation from the hydrolysis of ammonia borane
Yazar: İBTİHEL ZAİER AKPINAR
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER METİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, oda sıcaklığında amonyak boran (AB)'nın hidrolizinden hidrojen üretimi için etkinliği yüksek, ekonomik ve tekrar kullanılabilir grafen hidrojele (GH) tutturulmuş geçiş metallerini içeren monometalik, bimetalik ve trimetalik nanokatalizörlerin hazırlanması için herkes tarafından kolayca uygulanabilir tek basamaklı yeni bir sentez yönteminin elde edilmesi amaçlandı. 
Yöntem: Geliştirilen özgün sentez yöntemi, aynı anda grafen oksidin (GO) grafen hidrojele (GH) dönüştürülmesine ve geçiş metal öncüllerinin GH üzerine tutturulmuş nanoparçacıklara indirgenmesine izin veren, yüzey aktif madde içermeyen tek kapta gerçekleştirilen bir hidrotermal prosedürü içermektedir. Sentezlenen GH destekli nanokatalizörün yapıları TEM, STEM-HAADF, EDS element haritalama, XRD, XPS ve ICP-MS gibi birçok gelişmiş analitik yöntem kullanılarak incelendikten sonra AB hidrolizinden hidrojen üretiminde nanokatalizörlerin katalitik aktiviteleri araştırıldı.
Bulgular: Optimize edilmiş sentez prosedürü sayesinde monometalik GH-M (M:Co, Ni, Cu, Ru) nanokatalizörleri, bimetalik GH-CoCu, GH-CoNi, GH-CuNi ve GH-RuM (M: Co, Ni, Cu), ve trimetalik GH-CoCuNi nanokatalizörleri başarılı bir şekilde sentezlendi. Sentezlenen bimetalik ve trimetalik nanokatalizörlerin karakterizasyon sonuçları alaşım oluşumu doğruladı. AB'nin hidrolizinden hidrojen üretiminde elde edilen yüksek katalitik aktiviteler, oluşturulan alaşımlarda gözlenen sinerjik etkileşimler ile doğrudan ilişkili olduğu ortaya konuldu.
Sonuç: Sonuç olarak soy olamayan geçiş metalleri ile elde edilen bimetalik ve trimetalik nanokatalizörler monometalik muadillerine göre daha iyi katalitik perfomanslar sağladığı deneysel olarak gösterildi. Çok az oranla bile, Ru'nun Co , Ni ve Cu ile alaşım yapısında bir araya gelince monometalik muadiline göre çok yüksek katalitik performanslara ve stabiliteye sahip economik bimetalik kalatizörler geliştirildi.

Anahtar Kelimeler: Geçiş metal nanokatalizörü, Bimetalik nanopartiküller, Alaşım nanopartikülleri, Grafen hidrojel, Heterojen kataliz, Amonyak boran, Dehidrojenasyon, Hidrojen enerji

Abstract:
Purpose: In this thesis, a new, easily applicable one-step synthesis method was developed for the preparation of highly efficient, economical, and reusable monometallic, bimetallic and trimetallic nanocatalysts containing transition metals supported on graphene hydrogel (GH) for the hydrogen production from hydrolysis of ammonia borane (AB) at room temperature. 
Method: The developed synthesis method comprised a surfactant-free one-pot hydrothermal procedure that allows simultaneous conversion of graphene oxide (GO) to graphene hydrogel (GH) and reduction of transition metal precursors to metal nanoparticles supported on GH. After the elucidation of structure of as-synthesized GH-supported nanocatalysts with many advanced analytical methods including TEM, STEM-HAADF, EDS element mapping, XRD, XPS and ICP-MS, the catalytic activity of nanocatalysts in the hydrogen production from AB hydrolysis was investigated in detail. 
Findings: Thanks to the optimized synthesis procedure, monometallic GH-M (M:Co, Ni, Cu, Ru) nanocatalysts, bimetallic GH-CoCu, GH-CoNi, GH-CuNi and GH-RuM (M: Co, Ni, Cu), and trimetallic GH-CoCuNi nanocatalysts were successfully synthesized. The characterization results of the synthesized bimetallic and trimetallic nanocatalysts confirmed the alloy formation. The high activities achieved in the production of hydrogen from the hydrolysis of AB were attributed to the synergistic effects aroused between the distinct metals in the alloy structure.
Results: In conlusion, bimetallic and trimetallic nanocatalysts obtained with non-noble transition metals showed better catalytic performances than their monometallic counterparts. When Ru is combined with Co, Ni and Cu even at very low molar ratio of Ru, more economical bimetallic catalysts with much higher catalytic performances and stability were developed. 

Keywords: Transition metal nanocatalyst, Bimetallic nanoparticles, Alloy nanoparticles, Graphene hydrogel, Heterogeneous catalysis, Ammonia borane, Dehydrogenation, Hydrogen energy