Soy metal katkılı katalizörler varlığında biyokütleden hidrojen üretim çalışmaları
Hydrogen production from biomass in the presence of nobel metal doped catalysts
Yazar: İLKİN TUĞ
Danışman: PROF. DR. KIRALİ MÜRTEZAOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Dehidrojenasyon = Dehydrogenaration ; Formik asitler = Formic acids ; Hidrojen = Hydrogen

Özet:
Küresel olarak en büyük enerji kaynağı olan fosil yakıtlar, yakın gelecekte yalnızca tükenmekle kalmayıp birçok çevre sorununu da beraberinde getirecektir. Bu nedenle ulaşılması gereken nihai hedef çevreye zararı olmayan sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır. Hidrojen enerjisi, yeniden kullanılabilirliği, yüksek enerji yoğunluğu ve çevre dostu özellikleri nedeniyle geleceğin enerji taşıyıcısı olarak kabul edilmektedir. Yapılan çalışmalar, biyokütlenin pirolizi sonucu yan ürün olarak elde edilen formik asidin hidrojen üretimi için oldukça ekonomik olduğunu göstermiştir. Formik asidin katalitik parçalanması dehidrojenasyon ve dehidrasyon reaksiyonlarından oluşmaktadır. Her iki reaksiyonda endotermik olup, dehidrojenasyon reaksiyonunda H2 ve CO2 oluşurken dehidrasyon reaksiyonunda H2O ve CO oluşmaktadır. . Bu çalışmada KIT-6 destekli Ni ve Co içerikli mono/bimetalik katalizörler hazırlanmıştır. Hazırlanan destek malzemesi ve katalizörler için XRD, FT-IR, DRIFT, XPS, SEM, EDS ve TG analizleri yapılmıştır. H2 seçiciliğini artırmak, uygun reaksiyon sıcaklığı ve özellikle uygun katalizör ile mümkündür Malzemelerin N2 adsorpsiyon-desorpsiyon izotermleri IUPAC sınıflandırmasına göre Tip-IV sınıflandırmasına uygun bulunmuştur. Metal yüklemesi sonucunda destek malzemesinin mezogözenekli yapısının korunduğu belirlenmiştir. Katalizörlerin geniş açılı XRD desenlerinde amorf silika yapısının karakteristiği olan 2θ=15°–30° aralığında geniş bir pik izlenmiştir. Katalizörlerde KIT-6 desteğinin yapısından kaynaklı fonksiyonel grupların varlığı FT-IR spektrumları ile doğrulanmıştır. Katalizörlerin katalitik aktivite testleri konvansiyonel sistemle ısıtılan dolgulu kolon sürekli akış reaktör sisteminde gerçekleştirilmiştir. Tüm katalizörlerin aktivite testlerinde %100 formik asit dönüşümü elde edilmiştir. En yüksek hidrojen seçiciliği 3Ni@KIT-6 katalizöründe hesaplanırken, katalizörün karakterizasyon sonuçları bu yüksek verimi doğrulamaktadır. Ni içerikli katalizörlerle yapılan çalışmalarda, Co içerikli katalizörlere göre daha yüksek hidrojen verimi elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde bu çalışma hem ekonomik olarak hem de hidrojen verimi açısından formik asit dehidrojenasyonu için umut vericidir.

Abstract:
Fossil fuels, the largest energy source globally, will not only be exhausted in the near future, but will also bring many environmental problems. Therefore, the ultimate goal to be achieved is a sustainable energy source that does not harm the environment. Hydrogen energy is considered as the energy carrier of the future due to its reusability, high energy density and environmentally friendly properties. Studies have shown that formic acid, which is obtained as a by-product as a result of the pyrolysis of biomass, is quite economical for hydrogen production. The catalytic decomposition of formic acid consists of dehydrogenation and dehydration reactions. Both reactions are endothermic and H2 and CO2 is formed in the dehydrogenation reaction, while H2O and CO is formed in the dehydration reaction. It is possible to increase the selectivity of H2 with the appropriate reaction temperature and especially the suitable catalyst. In this study, mono/bimetallic catalysts with Ni and Co content supported by KIT-6 were prepared. XRD, N2 adsorption-desorption, FT-IR, DRIFT of Pyridine adsorbed samples, XPS, SEM, EDS, and TG analyses were performed for the prepared catalysts and support material. The N2 adsorption-desorption isotherms of the samples were found to be consistent with the Type-IV according to IUPAC classification. As a result of metal loading, it was determined that the mesoporous structure of the support material was preserved. In the wide angle XRD patterns of the catalysts, which is characteristic of the amorphous silica structure, a wide peak in the range 2θ=15°–30° was observed. The presence of functional groups in the catalysts due to the structure of the KIT-6 support was confirmed by FT-IR spectra. The catalytic activity tests of the catalysts were carried out in the packed bad flow reactor system heated with the conventional system. 100% formic acid conversion was obtained in the activity tests of all catalysts. The highest hydrogen selectivity was calculated in the 3Ni@KIT-6 catalyst, and the catalyst's characterization results confirm this high efficiency. In studies with Ni metal containing catalysts higher hydrogen yield was obtained than Co metal containing catalysts. When the obtained results are evaluated, this study is promising for formic acid dehydrogenation both economically and in terms of hydrogen yield.