Kobalt ve nikel içerikli destekli katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve sodyum borhidrürden hidroliz tepkimesi ile hidrojen üretiminde kullanılması
Synthesis and characterization of cobalt and nickel based catalysts and their use in hydrogen production by the hydrolysis reaction of sodium borohydride
Yazar: SEDA HOŞGÜN
Danışman: PROF. DR. MİNE ÖZDEMİR
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinden sodyum borhidrür (NaBH4) %10,8 hidrojen içeriğiyle önemli depolama bileşiklerindendir. Bu çalışmada, sodyum borhidrürün hidroliz tepkimesinin hızının artırılması amacıyla desteksiz metal borür (Co-B) ve destekli metal borür (Ni-B / Sepiolit, Co-B / Sepiolit, Ni-B / Manyezit, Co-B / Manyezit, Co-Ni-B / Manyezit, Co-B / Al2O3, Co-B / Diaion CRB02) katalizörleri emdirme ve sodyum borhidrür ile indirgeme yöntemi ile sentezlenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin karakterizasyonları yapılmıştır. 

Çalışmanın ikinci aşamasında geliştirilen katalizörler sodyum borhidrürün hidroliz tepkimesinde kullanılarak aktiviteleri belirlenmiştir. Üretilen hidrojen hacmi, hidrojen üretim verimi ve hidrojen üretim hızına katalizör miktarı, sodyum borhidrür derişimi, sodyum hidroksit derişimi ve tepkime sıcaklığının etkisi araştırılmıştır. Sentezlenen tüm katalizörlerin tekrar kullanılabilirlikleri incelenmiştir.

Deney sonuçlarında 50 °C'de %15 ağ. Co-B / Manyezit katalizörünün 29000 mL/dk gCo hidrojen üretim hızıyla en yüksek performans gösteren katalizör olduğu belirlenmiştir. Katalizörlerin tekrar kullanım özelliklerinin manyezit destekli katalizörlerde en yüksek, Diaion CRB02 destekli katalizörlerde en düşük olduğu görülmüştür. 

Son aşamada hidroliz tepkimesinin hız ifadelerini belirlemek için tepkime verileri sıfırıncı derece ve birinci derece kinetik modellere uygulanarak sentezlenen katalizörlerle yürütülen tepkimelerin NaBH4'e göre sıfırıncı derece kinetik modele uyumlu olduğu belirlenmiştir. En yüksek hidrojen üretim hızının elde edildiği %15 ağ. Co-B / Manyezit katalizörü ile yürütülen tepkimenin aktivasyon enerjisi 66,2 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. 

Sentezlenen katalizörlerle üretilen hidrojenin PEM yakıt hücresinde kullanım testleri sonucunda %15 ağ. Co-B / Manyezit katalizörü ile en yüksek güç yoğunluğu 2,28 W, %15 ağ. 5Co-1Ni-B / Manyezit katalizörü ile 1,18 W olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Sodium borohydride is one of the chemical hydrogen storage material with its 10.8 wt% hydrogen content. In this study, un-supported (Co-B) and supported metal boride (Co-B / Sepiolite, Ni-B / Sepiolite, Co-B/ Magnesite, Ni-B / Magnesite, Co-Ni-B / Magnesite, Co-B / Al2O3, Co-B / Diaion CRB02) catalysts were synthesized by impregnation and reduction method to increase the reaction rate of catalytic hydrolysis of NaBH4. Synthesized catalysts were characterized. 

The catalytic activity test of the synthesized catalyst were conducted in the second part of the study by using sodium borohydride in hydrolysis reaction. The effect of the sodium borohydride concentration, sodium hydroxide concentration and reaction temperature were investigated on the hydrogen production rate, hydrogen production efficiency and the volume of the produced hydrogen. Re-usability of all synthesized catalysts was investigated. 

As a results of experiments maximum hydrogen production rate was obtained as 29000 mL/gco.min with 15% wt. Co-B / Magnesite catalyst at 50 °C. The re-useability of the catalysts were found to be the highest in magnesite supported catalysts and the lowest in Diaion supported catalysts.

In order to determine the kinetic of the hydrolysis reaction in the final step, the reaction data were carried out with the synthesized catalysts applied to the zero-order and first-order kinetic models. Activation energies were calculated for all synthesized catalysts. The activation energy of the reaction with 15% wt. Co-B / Magnesite catalyst, in which the highest hydrogen production rate was obtained, calculated as 66.2 kJ / mol.

As a result of the tests of hydrogen produced by synthesized catalysts in PEM fuel cell the highest power density was obtained as 2.28 W and 1.18 W with 15% wt. Co-B / Magnesite and 15% wt. 5Co-1Ni-B / Magnesite catalyst respectively.