Sodyum borhidrürün alkolizinden hidrojen üretimi için metal organik çerçeve destekli kobalt-krom katalizörlerinin geliştirilmesi

Abstract

Hidrojen, fosil yakıtlara dayalı enerji ekonomisinin neden olduğu enerji arzı sorunlarını ve çevresel etkileri ortadan kaldırabilecek umut verici bir alternatif enerji kaynağı olarak öne çıkmaktadır. Farklı proses yöntemleriyle üretilebilen hidrojenin elde edilmesinde, yüksek hidrojen içeriğine sahip bileşikler önemli rol oynamaktadır. Bu bileşiklerden biri olan sodyum borhidrür (NaBH4), ağırlıkça %10,8 oranında hidrojen içermektedir ve özellikle yakıt hücresi uygulamaları için hidrojen depolama ve üretiminde potansiyel bir adaydır. Mevcut çalışmalar çoğunlukla sodyum borhidrürün hidrolizi üzerine yoğunlaşmış olup, bu yöntem bazı donma problemleri gibi pratik sınırlamalar barındırmaktadır. Bu tez çalışmasında, çevresel sürdürülebilirliğe katkı sağlamayı amaçlayan alternatif bir hidrojen üretim yöntemi olarak sodyum borhidrürün alkoliz reaksiyonu araştırılmıştır. Çalışmada, metal-organik çerçeve (MOF) türevi karbon destekli kobalt-krom (Co-Cr) katalizörler geliştirilmiş ve hidrojen üretim süreci optimize edilmiştir. Katalizör sentezi, Zif-8 adlı metal-organik çerçevenin karbonize edilmesiyle başlamış, ardından farklı stokiyometrik oranlarda kobalt ve krom metallerinin yüklenmesiyle gerçekleştirilmiştir. En yüksek aktivite, Co0.2-Cr0.8/Zif-8 C kompozisyonuna sahip katalizörde gözlemlenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında katalizörlerin kimyasal indirgenebilirliği, yüzey alanı ve katalitik aktivite performansı ayrıntılı olarak incelenmiştir. Geliştirilen bu katalizör, düşük sıcaklık koşullarında yüksek hidrojen salım hızı ve düşük aktivasyon enerjisi (26,19 kJ/mol) ile öne çıkmıştır. Ayrıca yeniden kullanılabilirlik testlerinde dört döngü sonunda %76,4 oranında katalitik performansını koruduğu belirlenmiştir. Katalizörlerin yüzey morfolojisi, kristal yapısı ve kimyasal içerikleri; XRD, SEM, EDS, XPS ve BET gibi karakterizasyon teknikleriyle analiz edilmiştir. Karbonize Zif-8 destek malzemesi, geniş gözenekli yapısıyla metal partiküllerinin yüzeyde homojen dağılımını sağlamış, bu da katalitik performansa olumlu katkıda bulunmuştur. XPS analizleri, katalizör yüzeyinde kobalt ve krom oksitlerinin varlığını doğrulamış ve bu metallerin hidrojen üretiminde aktif rol üstlendiğini göstermiştir. BET analiz sonuçları ise, yüksek yüzey alanının hidrojen üretim verimliliğini artırdığını ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, geliştirilen katalizörlerin sadece laboratuvar ölçeğinde değil, aynı zamanda endüstriyel hidrojen üretimi açısından da umut vadettiğini göstermektedir. Hidrojen üretim sistemlerinin çevresel ve ekonomik açıdan sürdürülebilirliğini artırmak adına öneriler sunulmuş; MOF türevi malzemelerin bu alandaki potansiyelinin daha geniş kapsamda araştırılması gerektiği vurgulanmıştır. Ayrıca farklı çözücü sistemlerinin (örneğin etanol veya izopropanol) kullanımı ve metal oranlarının daha hassas bir şekilde optimize edilmesinin, katalizör performansını daha da iyileştirebileceği sonucuna varılmıştır.Hydrogen is regarded as a promising alternative energy source capable of addressing the energy supply issues and environmental impacts associated with fossil fuel-based energy economies. Hydrogen can be produced through various process methods, and compounds with high hydrogen content play a significant role in this production. Among them, sodium borohydride (NaBH4), which contains 10.8 wt% hydrogen, is considered a potential candidate for hydrogen storage and generation, especially in fuel cell applications. While most current studies focus on the hydrolysis of sodium borohydride, this method presents certain practical limitations, such as freezing issues. This thesis investigates an alternative hydrogen production route aimed at contributing to environmental sustainability by utilizing the alcoholysis reaction of sodium borohydride. In this study, cobalt-chromium (Co-Cr) catalysts supported on carbon derived from metal-organic frameworks (MOFs) were developed, and the hydrogen production process was optimized. Catalyst synthesis began with the carbonization of the metal-organic framework Zif-8, followed by the incorporation of cobalt and chromium metals in different stoichiometric ratios. The catalyst with the composition Co0,2-Cr0,8/Zif--8 C exhibited the highest catalytic activity. Experimental studies comprehensively evaluated the catalysts' chemical reducibility, surface area, and catalytic performance. The developed catalyst demonstrated a high hydrogen generation rate and low activation energy (26.19 kJ/mol) under mild temperature conditions. Reusability tests indicated that the catalyst retained 76.4% of its catalytic activity after four cycles. The surface morphology, crystalline structure, and chemical composition of the catalysts were examined using various characterization techniques such as XRD, SEM, EDS, XPS, and BET. The carbonized Zif-8 support provided a porous structure that facilitated the homogeneous distribution of metal particles on the surface, contributing positively to catalytic performance. XPS analysis confirmed the presence of cobalt and chromium oxides on the catalyst surface, highlighting their crucial role in catalytic activity. BET analysis demonstrated that the high surface area of the catalyst significantly enhanced hydrogen production efficiency. The results indicate that the developed catalysts are not only effective at the laboratory scale but also hold promise for industrial-scale hydrogen production. Recommendations were provided to improve the environmental and economic sustainability of hydrogen production systems, and the need for broader investigation into MOF-derived materials in this field was emphasized. Additionally, the use of alternative solvent systems (such as ethanol or isopropanol) and more precise optimization of metal ratios were identified as key factors for further improving catalyst performance.