Nanoparçaçık temelli hidrojen üretimi
Hydrogen production based on nanoparticles
Yazar: EMRE ASLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ ; DOÇ. DR. İMREN HATAY PATIR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
21. yüzyılın en büyük bilimsel ve teknolojik çabalarından birisi de şüphesiz yenilenebilir enerjilerin üretimi ve depolanması için yeni yollar geliştirmektir.  Hidrojen gazı; yenilenebilir olması, yanması sonucunda sera etkisi oluşturabilecek CO2 gazı açığa çıkarmaması ve yakıt hücrelerinde kolaylıkla elektriğe dönüştürülebilmesinden dolayı geleceğin enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Hidrojen çeşitli kaynaklardan üretilebilmektedir (fosil yakıtları, su, biyokütle vb..). Günümüzde, hidrojen başlıca fosil yakıtlarından üretilmekte, buda çevreye sera gazı ve diğer iklim değiştirici emisyonların yayılmasına neden olmaktadır. Diğer yandan fosil yakıtlarının tükenebileceği de göz önüne alındığında, hidrojenin güneş ışığı gibi doğal enerjiler kullanılarak sudan üretilmesi en çok gelecek vaat eden proseslerden birisidir. Güneş enerjisinden hidrojen üretimi için birkaç farklı yol vardır. Bunlardan birisi de fotokatalitik olarak suyun ayrışması yani yapay fotosentezdir. Doğada, fotosentez biyolojik membranlarda gerçekleşmektedir. Birbiriyle karışmayan iki elektrolit çözelti arasındaki arayüzeylerin biyomembranlar ile benzerliği oldukça ilgi çekmektedir. Bu nedenlerden dolayı bu çalışmada katı/sıvı ve sıvı/sıvı arayüzeyleri fotokatalitik ve katalitik hidrojen üretimi için model sistem olarak kullanılmıştır.
 Katı/sıvı arayüzeylerinde fotokatalitik hidrojen üretimi için oleik asit kaplanmış CdS, CdSe ve CdSxSe1-x alaşım nanokristalleri çift faz yaklaşımı ile sentezlenmiştir. Bu nanokristaller UV-Vis spektroskopisi, Flüoresans spektroskopisi, X-ışınları kırınımı (XRD), enerji ayırımlı X ışınları spektroskopisi (EDX), küçük açı X ışınları dağılımı (SAXS) ve döngüsel voltametri (CV) metotları ile karakterize edilmiştir. Sentezlenen ve karakterizasyonu yapılan bu nanokristaller hidrojen üretim reaksiyonu için Na2S/Na2SO3 elektron verici çözeltisi ortamında fotokatalizör olarak kullanılmıştır. Bu nanokristallerin hidrojen üretiminde görünür ışık altında 24 saatten daha uzun bir süre kararlılık gösterdiği ve CdS075Se0,25 alaşım nanokristalinin hidrojen üretim aktivitesinin CdS ve CdSe nanokristallerinden daha yüksek olduğu gözlenmiştir. 
Sıvı/sıvı arayüzeylerde katalitik hidrojen üretimi için, su/1,2-dikloroetan arayüzeyi model sistem olarak seçilmiştir. Burada DCE fazında elektron verici olarak dekametilferrosenin (DMFc) ve su fazında asidik protonların kullanılmasıyla iki fazlı sistemlerde WS2, WC mikroparçacıklarının hidrojen üretim reaksiyonunu katalizlediği rapor edilmiştir. Diğer bir çalışmada ise, su fazında CuCl2 tuzunun ve DCE fazında DMFc elektron vericisinin kullanılmasıyla Cu nanoparçacıkları su/DCE arayüzeyinde elde edilmiş ve bu nanoparçacıklar hidrojen üretim reaksiyonu için çok iyi bir katalitik aktivite gösterdiği gözlenmiştir. Su/DCE arayüzeyinde elektrobirikme ile oluşan Cu nanoparçacıkları XRD, geçirimli elektron mikroskobu (TEM), seçilmiş alan elektron kırınımı (SAED), taramalı elektron mikroskobu (SEM), EDX, parçacık boyut analizörü ve CV ile karakterize edilmiştir.

Abstract:
One of the greatest scientific and technological endeavours of 21st century is undoubtedly to develop new routes for the production and storage of renewable energies. Hydrogen gas is seen as a future energy carrier by virtue of the fact that it is renewable, does not evolve the "greenhouse gas" CO2 in combustion and is easily converted to electricity by fuel cells. Hydrogen can be produced from a variety of resources. At present, hydrogen is mainly produced from fossil fuels which release greenhouse gases and other climate-changing emissions. On the other hand, considering the depletion of fossil fuels hydrogen produced from water using natural energies such as sunlight is one of the most promising processes. There are several ways for the solar hydrogen production. One of these is photocatalytic water splitting (artificial photosynthesis). In nature, photosynthesis occurs in biological membranes. The analogy with biomembranes of an interface between two immiscible electrolyte solutions (ITIES) has attracted a great deal of attention. For this reason, in this study, solid/liquid and liquid/liquid interfaces were used as a model system for the photocatalytic and catalytic hydrogen production.
Oleic acid coated CdS, CdSe and CdSxSe1-x nanocrystals were synthesized by two-phase approach for photocatalytic hydrogen production at solid/liquid interfaces. These nanocrystals were characterized by UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), small angle X-ray diffraction (SAXS) and cyclic voltammetry methods. These nanocrystals were used as the photocatalyst for hydrogen production reaction in the Na2S / Na2SO3 electron donor solution medium. These nanocrystals exhibit a good stability in the hydrogen production more than 24 hour under visible light irradiation and hydrogen production activity of alloyed CdS075Se0,25 nanocrystal is higher than the CdS and CdSe nanocrystals.
The water/1,2-dichloroethane interface was selected as a model system for the catalytic hydrogen production at liquid/liquid interfaces. We report that WS2, WC microparticles and Cu nanoparticles catalyzes the HER in biphasic systems where the aqueous phase is acidic and the organic phase is 1,2-dichloroethane (DCE) containing DMFc as an electron donor. In another study, Cu nanoparticles were obtained at the water/DCE interface by using CuCl2 salt in the water phase and the electron donor DMFc in DCE phase and these nanoparticles display excellent catalytic activity for the hydrogen evolution reaction. The electrodeposited Cu nanoparticles at water/DCE interface were characterized by XRD, transmission electron microscopy (TEM), selected area electron diffraction (SAED), scanning electron microscopy (SEM), EDX, CV and particle size analyzer.