Hidrojen depolama maddesi olarak hidrazin boran kompleksinin katı hal sentezi ve dehidrojenasyonu
Solid state synthesis and dehydrogenation of hydrazine borane complex as hydrogen storage
Yazar: ÖZGE BAYRAM
Danışman: PROF. DR. GÖKSEL ÖZKAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Dehidrojenasyon = Dehydrogenaration ; Hidrazinler = Hydrazines ; Hidrojen depolanması = Hydrogen storage

Özet:
Yenilenebilir enerji taşıyıcılarından biri olan hidrojenin (H2) enerji kaynağı olarak kullanımına yönelik bilimsel ve teknolojik çalışmalar gün geçtikçe hız kazanmaktadır. Çevre dostu bir enerji kaynağı olan H2'nin üretimi yanında özellikle depolanması çalışmaları da önem kazanmıştır. Son yıllarda kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında amin boranlardan olan hidrazin boran (N2H4BH3,HB) kütlece %15,4 H2 içermesiyle dikkat çekmeye başlamıştır. Bu çalışmada hidrazin boran (HB)'ın sentezi ve katalitik hidrolizi üzerinde durulmuştur. Katalitik hidroliz için sentezlenen katalizör kütlece %2 ve %4 Pd içeren TiO2 destekli katalizördür. TiO2 destek malzemesi Sol Jel Metodu ile titanyum etoksitten sentezlenmiştir. Pd yüklemesi emdirme yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Hidrazin boran literatürde tercih edilen tetrahidrofuran (THF) çözücüsü kullanılarak çözelti fazı sentez metodu ve katı hal sentez metoduyla sentezlenmiş, sentez verimleri ve karakterizasyonu incelenmiştir.  Çözelti fazı sentez metodu ile 48 saatte sentezlenen hidrazin boranın hidrolizinde %2 Pd/TiO2 katalizörü 0,05 g, %4 Pd/TiO2 katalizörü 0,05 ve 0,1 g olacak şekilde kullanılmıştır. Hidroliz deneyleri kesikli bir reaktörde 40, 60 ve 80 oC sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. En iyi sonuçlar %4 Pd/TiO2 katalizörünin 0,1g olarak kullanıldığı hidroliz deneyinde 80 oC'de 80 sn sürede, 2,97 mol H2/mol HB oluşumu ile gerçekleşmiştir.  Ardından sırasıyla aktivasyon enerjisi (Ea) 32,1 kJ/mol, entalpi (ΔH#) 29,3 kJ/mol ve entropi (ΔS#) -188,2 J/molK olarak hesaplanmıştır. Katı hal sentez metodu ve çözelti faz sentez metodu ile 30 dk, 1 saat ve 2 saat sürede sentezlenen hidrazin boranlar incelendiğinde, çözelti faz sentezi yoluyla 2 saatte sentezlenen HB'nin %80,12 verimle sentezlendiği ve hidrolizi sonucunda 2,7 mol H2/mol HB oluşumu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Scientific and technological studies on the use of hydrogen (H2), which is one of the renewable energy carriers, as an energy source are gaining momentum day by day. In addition to the production of H2, which is an environmentally friendly energy source, especially its storage studies have gained importance. In recent years, hydrazine borane (N2H4BH3, HB), which is one of the amine boranes, has started to attract attention with its 15.4% H2 content by mass. In this study, the synthesis and catalytic hydrolysis of hydrazine borane (HB) was emphasized. The catalyst synthesized for catalytic hydrolysis is TiO2 supported catalyst containing 2% and 4% Pd by mass. TiO2 support material was synthesized from titanium ethoxide by Sol Gel Method. Pd loading was carried out by the impregnation method. Hydrazine borane was synthesized by solution phase synthesis method and solid state synthesis method using tetrahydrofuran (THF) solvent, which is preferred in the literature, and its synthesis yields and characterization were investigated. 2% Pd/TiO2 catalyst was used as 0.05 g, 4% Pd/TiO2 catalyst was 0.05 and 0.1 g in the hydrolysis of hydrazine borane synthesized in 48 hours by solution phase synthesis method. Hydrolysis experiments were carried out in a batch reactor at temperatures of 40, 60 and 80 oC. The best results were achieved with the formation of 2.97 mol H2/mol HB in the hydrolysis experiment where 4% Pd/TiO2 catalyst was used as 0.1 g, at 80 oC for 80 seconds. Then, activation energy (Ea) was calculated as 32.1 kJ/mol, enthalpy (ΔH#) 29.3 kJ/mol and entropy (ΔS#) -188.2 J/molK, respectively. When the hydrazine boranes synthesized in 30 min, 1 hour and 2 hours by solid state synthesis method and solution phase synthesis method were examined, it was found that HB synthesized in 2 hours by solution phase synthesis was synthesized with 80.12% efficiency and as a result of hydrolysis, the formation of 
2.7 mol H2/mol HB has been observed.