Yüksek kalitede NiRu alaşım nanopartiküllerinin sentezi ve yeni bir hidrojen depolama malzemesi olarak morfolin boranın dehidrojenlenmesindeki katalitik etkinlikleri
A facile synthesis of bimetallic nickel-ruthenium alloy nanoparticles and their catalytic performance in the dehydrogenation of morpholine borane as a new hydrogen storage material
Yazar: BUSE SÜNDÜ
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER METİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Hidrojen, son yılllarda yenilenebilir enerji kaynakları alanındaki teknolojik/bilimsel gelişmeler ile birlikte uygun özellikleri sayesinde verimli bir enerji taşıyıcısı olarak çalışılmaktadır. Bu bağlamda hidrojen, yakıt hücrelerinde, taşınabilir cihazlarda ve araçlarda enerji taşıyıcısı olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte, hidrojenin güvenli şekilde depolanması ve iletilmesi, enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanımının önünde halen devam eden sorunların başında gelmektedir. Kovalent bağ yoluyla kimyasal bir bileşik içinde hidrojeni depolamayı kapsayan kimyasal hidrojen depolama, bu problem için ümit verici bir çözümdür. Bugüne kadar başta amonyak boran ve sodyum borhidrür olmak üzere çok sayıda bor temelli bileşik kimyasal hidrojen depolama malzemesi olarak çalışılmıştır. Ancak pahalı olmaları ve kararlılıklarındaki sorunlar gibi nedenlerle pratik uygulamaları sınırlıdır. Bu nedenle, ucuz, kararlı ve kolay bir şekilde hidrojenini salıveren yeni bir kimyasal hidrojen depolama malzemesi arayışı halen önemli bir araştırma konusudur. Bu tez çalışması ile %12'lik hidrojen içeriğine sahip, ekonomik, çevre dostu ve toksik olmama gibi avantajlı özelliklere sahip morfolin boranı (MB), ideal bir hidrojen depolama malzemesi olarak ortaya çıkarmak istiyoruz. Literatürde MB'nin bir hidrojen depolama malzemesi olarak kullanılması ve bunun sulu çözelti içinde dehidrojenlenmesi üzerine bugüne kadar hiçbir çalışma yapılmamıştır. Bu tez çalışmasında, ilk defa tek düze parçacık boyutlu bimetalik nikel-rutenyum (NiRu) alaşım nanopartiküllerin sentezi, karbon destek malzemelerine desteklenmesi ve elde edilen nanokatalizörün MB'nin oda sıcaklığında sulu çözelti içerisinde dehidrojenlenmesideki katalitik etkinliği incelendi. NiRu alaşım nanopartikülleri (NP) başlangıç metal tuzlarının yüksek sıcaklıkta organik çözücüler içerisinde parçalanması ve indirgenmesi yolu ile 5,1 nm ortalama parçacık boyutunda sentezlendi. Çeşitli karbon destek malzemelerine yüklenen NiRu alaşım NP MB'nin hidrolitik dehidrojenlenmesinde katalizör olarak test edildi. Sentezlenen kolloidal NiRu alaşım NP ve karbona destekli katalizörün yapıları geçirimli elektron mikroskobu (TEM), X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), UV-görünür bölge spektroskopisi (UV-VIS) ve indüktif eşleşmiş plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS) yöntemleri ile karakterize edildi. NiRu alaşım NP ticari olarak temin edilebilen yüksek yüzeyli karbon malzeme (Vulcan XC-72) üzerinde desteklendiğinde, elde edilen VC-NiRu katalizörünün MB dehidrojenlenmesinde çevrim frekansı (TOF) ve aktivasyon enerjisi (Ea) sırasıyla 54,5 mol H2*(mol (Ni + Ru) .min))-1 , 38.5±3 kJ / mol olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Hydrogen has raised as an efficient energy carrier owing to its favorable properties along with the technological/scientific developments in the field of renewable energy sources in the last decade. In this respect, hydrogen has already been used as energy carrier in fuel cells, portable devices and vehicles. However, the safe storage and delivery of hydrogen are still ongoing problems in front of the use of hydrogen as energy carrier. The chemical hydrogen storage that stores hydrogen in a chemical compound via covalent bond is a promising solution to the storage problem. Although many boron-based compounds have been tested as chemical hydrogen storage material, especially ammonia borane and sodium borhydride, the problems related to their cost or stability hinders their practical use. Therefore, the search on finding a new chemical hydrogen storage material with low cost, stable and releasing its hydrogen easily is an important task in hydrogen economy. In this regard, we would like to introduce morpholine borane (MB) as an economical, environmentally friendly, non-toxic, and ideal hydrogen material with a hydrogen content of 12% with this thesis. It should be noted that there is no study on the use of MB as a hydrogen storage material and its dehydrogenation in aqueous solution in the literature. In this thesis, we report for the first time a facile synthesis of nearly monodisperse bimetallic nickel-ruthenium (NiRu) alloy nanoparticles (NPs) and their catalytic performance in hydrogen generation from the hydrolysis of MB at room temperature. The structure of the as-synthesized NiRu alloy NPs and the supported NPs was characterized by using transmission electron microscopy (TEM), high resolution TEM (HR-TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV-visible region spectroscopy and inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS) methods. When NiRu alloy NPs were supported on the commercially available high-surface area carbon material (Vulcan XC-72), the yielded VC-NiRu catalyst showed high activity in the dehydrogenation of MB with a turnover frequency (TOF) in the hydrogen generation from hydrolysis MB of 54.5 mol H2*(mol (Ni + Ru) .min)-1 and the apparent activation energy (Ea) as  38.5 ± 3 kJ / mol, respectively.