Metanın kuru reformlanma reaksiyonu için mezogözenekli alümina destekli katalizörlerin geliştirilmesi
Development of mesoporous alumina supported catalysts for the dry reforming reaction of methane
Yazar: MERT YEKTA DOĞAN
Danışman: PROF. DR. NAİL YAŞYERLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Metanın kuru reformlanma reaksiyonu, sera etkisine neden olan metan ve karbondioksit gazlarını sentez gazına dönüştürebilme potansiyeli nedeniyle günümüzde oldukça önem kazanmış bir reaksiyondur. Yüksek lisans tez çalışması kapsamında bu reaksiyon için kok oluşumuna karşı dirençli, aktif ve kararlı katalizörler geliştirmek amacıyla mezogözenekli alümina destekli monometalik Ni katalizörleri emdirme ve tek kap, bimetalik Ni-Ce katalizörleriyse tek kap yöntemiyle sentezlenmiştir. Ayrıca karşılaştırma yapmak amacıyla ticari alümina ve CeO2 destekli, Ni içerikli katalizörler emdirme yöntemiyle hazırlanmıştır. Alümina destek malzemesi, modifiye sol-jel yöntemi adı verilen inert ortamda gerçekleşen yeni bir yöntemle sentezlenmiştir. Seryumun metanın kuru reformlanma reaksiyonundaki katalitik aktivite ve kok oluşumu üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla Ni miktarı sabit tutularak (kütlece %5), farklı miktarlarda Ce (kütlece %15-25-35) tek kap yöntemiyle alümina destek malzemesinin yapısına yüklenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, SEM-EDS, ICP-OES, FTIR, piridin adsorplanmış numunelerin FTIR spektroskopisi ve TGA yöntemleriyle karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. XRD analiz sonuçları alümina destekli Ni içerikli monometalik katalizörlerin yapısına Ce ilavesinin, Ni partiküllerinin kristal boyutunda bir azalışa neden olduğunu gösterirken, DRIFT analizleri ise katalizörlerin yapısına Ce ilavesinin Lewis asiditesinde azalmaya neden olduğunu göstermiştir. 800 oC'de indirgenen katalizörlerin; 750 oC reaksiyon sıcaklığında ve CH4/CO2/Ar=1/1/1 besleme reaktant oranı varlığında, dolgulu kolon reaktör sisteminde, katalitik aktivite test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 4 saatlik katalitik aktivite testleri sonucunda 5Ni-MSGA katalizörünün yüksek aktivite verdiği fakat yapısında yaklaşık %8'lik bir karbon birikimi olduğu görülmüştür. Katalizör yapısına kütlece %25 Ce ilavesiyle, kok oluşumu neredeyse tamamen engellenmiştir ve elde edilen 5Ni-25Ce-MSGA katalizörü vermiş olduğu %79 CH4 ve %87 CO2 dönüşüm değerleriyle en aktif ve kararlı katalizör olmuştur. Çalışmanın son aşamasında, 5Ni-25Ce-MSGA katalizörü kullanılarak 750 oC'de 25 saat uzun ömürlülük testi gerçekleştirilmiştir. Katalizör 25 saat boyunca aktivitesini ve kararlılığını korumuştur.

Abstract:
The dry reforming reaction of methane is a reaction that has gained importance today due to its potential to convert methane and carbon dioxide gases that cause greenhouse effect into synthesis gas. Within the scope of the master's thesis study, in order to develop resistant, active and stable catalysts against coke formation for this reaction, the meso-porous alumina supported monometallic Ni catalysts were synthesized by impregnation and one-pot method as the bimetallic Ni-Ce catalysts were synthesized by one-pot method. Moreover, commercial alumina and CeO2 supported, Ni-containing catalysts were prepared by impregnation method for comparison. The alumina support material was synthesized by a new method which takes place in an inert environment called a modified sol-gel method. In order to determine the effects of cerium on the catalytic activity and coke formation in the dry reforming reaction of methane, different amounts of Ce (15-25-35% by mass) were loaded into the structure of the alumina support material using a one-pot method while Ni amount was kept constant (5% by mass). In order to determine the physical and chemical properties of the synthesized catalysts, characterization studies were carried out with N2 adsorption-desorption, XRD, SEM-EDS, ICP-OES, FTIR, FTIR spectroscopy of pyridine adsorbed samples and TGA methods. XRD analysis results showed that the addition of Ce to the structure of alumina-supported Ni-containing monometallic catalysts resulted in a decrease in the crystal size of Ni particles, while DRIFT analysis indicated that the addition of Ce to the structure of catalysts caused a decrease in Lewis acidity. Catalytic activity tests of the catalysts reduced at 800 oC were carried out in the filled column reactor system at reaction temperature of 750 oC with CH4 / CO2 / Ar = 1/1/1 feed reactant ratio. As a result of the 4-hour of catalytic activity tests, it was observed that the 5Ni-MSGA catalyst indicated high activity however, had a carbon accumulation of approximately 8% in its structure. With the addition of 25% Ce by mass to the catalyst structure, coke formation was almost completely inhibited and the 5Ni-25Ce-MSGA catalyst obtained was the most active and stable catalyst with the conversion values of 79% CH4 and 87% CO2. At the final phase of the study, 25 hours of long-term activity test was performed at 750 oC using 5Ni-25Ce-MSGA catalyst. The catalyst maintained its activity and stability for 25 hours.