Üç boyutlu düzenli makrogözenekli malzeme destekli nikel içeren katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve katalitik aktivitelerinin incelenmesi
The synthesis, characterization and catalytic activity studies over the three dimensionally ordered macroporous material supported nickel catalysts
Yazar: İKBAL AY
Danışman: DOÇ. DR. FİLİZ DEREKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Üç boyutlu düzenli makrogözenekli (3DOM) yapıda CeO2 ve ZrO2 destekler içeren 50/50 mol. % NiO/3DOM CeO2 ve 50/50 mol %. NiO/3DOM ZrO2 katalizörlerinin sentez ve karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Katalizörlerin ve destek malzemelerin katalitik aktiviteleri NH3'den H2 üretim reaksiyonu incelenmiştir. 3 DOM destekler kolloidal kristal şablonlama tekniği kullanılarak hazırlanmış ve 3 DOM yapıya nikel gaz kabarcığı destekli çöktürme yöntemi ile eklenmiştir. Hazırlanan tüm destek malzemelerin ve katalizörlerin karakteristik özelliklerini belirlemek için taramalı elektron mikroskopisi (SEM-EDX), x-ışını kırınım deseni analizi (XRD) ve N2 fizisorpsiyon analizleri kullanılmıştır. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda yapıda bulunan kristal fazlar, ortalama kristal boyutları, 3DOM gözenek çapı, çok noktalı yüzey alanı, ortalama gözenek çapı, gözenek hacmi ve azot adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri belirlenmiştir. Taramalı elektron mikroskopisi çalışmaları 591-713 nm arasında çapları değişen polistiren kürelerinin oluştuğunu; PS kürelerinin şablon olarak kullanılmasının ardından gözenek çapları 204-321 nm arasında değişen 3DOM yapıda CeO2 ve ZrO2 desteklerinin başarılı bir şekilde elde edildiği; gözenek duvarlarının kalınlaşmasından NiO'in 3DOM destek yapısına başarılı bir şekilde katıldığı belirlenmiştir. Gözenek çaplarındaki daralma gözenek duvarları içine giren NiO den kaynaklanmıştır. EDX analiz sonuçları gaz kabarcığı destekli çöktürme yöntemi ile NiO/3DOM CeO2 katalizöründe istenen molar bileşime ulaşıldığı fakat NiO/3DOM ZrO2 katalözöründe istenilen molar bileşime ulaşılamadığı belirlenmiştir. X-ışını kırınım deseni analizi katalizör ve destek yapısında istenilen kristal faz yapısının oluştuğunu göstermiştir. N2 fizisorpsiyon analizi sonuçları yapıda mezo+mikro gözeneklerin olduğunu göstermiştir. Katalitik aktivite çalışmaları sabit yataklı reaktörde 400-600°C sıcaklık aralığında amonyaktan hidrojen eldesi için gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon öncesi katalizörler 500°C sıcaklıkta saf hidrojen kullanılarak indirgenmiştir. 3DOM destekli katalizörlerde 500°C sıcaklığa kadar katalitik aktivitelerin ihmal edilecek düzeyde olduğu belirlenmiştir. 500°C sıcaklıkta Ni/3DOM ZrO2 ve Ni/3DOM CeO2 katalizörleri sırasıyla %1,36 ve %1,60 dönüşüm göstermiştir. Reaksiyon sıcaklığının yükselmesi katalizörlerin dönüşümünü arttırmıştır. 600°C sıcaklıkta Ni/3DOM ZrO2 için %5,06 ve Ni/3DOM CeO2 için %18,58 dönüşüme ulaşılmıştır.

Abstract:
The synthesis and characterization studies were done over the 50/50 mol. % NiO/3DOM CeO2 and 50/50 mol. % NiO/3DOM ZrO2 catalysts which were composed of CeO2 and ZrO2 supports which have three dimensionally ordered macroporous (3DOM) structures. Catalytic activities of the supports and catalysts were investigated for the H2 production from NH3. 3DOM supports were prepared by using the colloidal crystal templating method and NiO was added to the 3DOM support structure by using the gas bubbling assisted precipitation technique. All materials which were prepared were chracaterized by using the following techniques: x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM-EDX) and N2 phsisorption. Characterization studies gave us the information about the crystal phases, average crystal size, 3DOM pore diameter, multipoint BET surface area, average pore diameter, pore volume and N2 adsorption/desorption isotherm. The scanning electron microscopy results show that the diameter of the polystyrene microspheres are in between 591-713 nm and CeO2 and ZrO2 were obtained in three dimensionally ordered macroporous structures of which pore diameter change in between 204-321 nm by using the polystyrene microspheres as templates. SEM results also showed that NiO was successfully impregranted in to the 3 DOM pore structures of the CeO2 and ZrO2 which was understood from the thickening the pore walls of the supports. EDX results showed that the desired molar composition was reached over the NiO/3DOM CeO2 catalyst but over the NiO/3DOM ZrO2 catalyst desired molar composition can not be reached. According to the results obtained from the X-ray diffraction desired crystal phases were obtained over the catalysts and supports. All supports and catalysts have mesoporous structures. The catalytical activity studies were performed in order to obtain hydrogen recovery from ammoniac between the temperatures of 400-600°C in a fixed-bed reactor. All catalysts were reduced by using pure hydrogen at 500°C for an hour before the reactio. The catalytic activity of up to 500 °C is observed that the level will be ignored. The Ni/3DOM ZrO2 and Ni/3DOM CeO2 catalysts had demonstrated 1,36% and 2,34% conversion respectively at 500°C temperature. Elevation of the reaction temperature increases the conversion catalyst. At 600°C temperature, Ni/3DOM ZrO2 to 5,6% and Ni/3DOM CeO2 to 18,58% conversion was reached.