Karbon destekli bimetalik rodyum katalizörü ile metilamin boranın dehidrojenasyonu

Abstract

Geleceğin umut vadeden temiz enerji kaynaklarından biri olan hidrojen enerjisi, fiziksel veya kimyasal olmak üzere çeşitli sıcaklık ve basınç koşulları altında farklı materyallerde depolanarak saklanabilmektedir. Hidrojenin yüksek basınç ve sıcaklık gerektiren depolama yöntemleri hem güvenlik tehlikesi oluşturduğundan hem de maliyet açısından uygulanabilir değildir. Bu yöntemlere alternatif olarak hidrojenin kimyasal hidrürlerden elde edilerek depolanması son zamanların büyük ilgi odağı haline gelmiş ve üzerinde çalışılmaya başlanmıştır. Yüksek hidrojen içeriğine sahip NHxBHx grubu sürdürülebilir özelliği sebebi ile güvenli ve zararsız bir hidrojen depolama malzemesidir ve kimyasal tepkime ile istenildiği zaman hızlı bir şekilde depoladığı hidrojeni dışarıya verebilmektedir. Bu tez çalışmasında amin boran grubunda yer alan metilamin borandan hidroliz tepkimesi ile ekonomik koşullar altında, kolay bir yöntemle ve yüksek bir verimle hidrojen elde edilmesi ve depolanması amacıyla katalitik aktivitesi yüksek bir nanokatalizör geliştirilmesi ve optimum çalışma şartlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, yüksek hidrojen içeriğine sahip metilamin boranın katalitik hidrolizi, karbon destekli rodyum bazlı bimetalik nanokatalizörler (Rh-M) üzerinde gerçekleştirilmiştir. Rodyum katalizörünün katalitik aktivite ve kararlılık özelliklerini arttırmak amacıyla farklı metaller (M= Ni, Cu, Mo, Mn, Sn, Cr) eklenerek bimetalik nanokatalizörler sentezlenmiştir. Sentezlenen nanokatalizörler metilamin boranın hidroliz deneylerinde kullanmış ve en aktif katalizör Rh-Cu/C-NH2 olarak belirlenmiştir. Ardından sentez ve hidroliz reaksiyon parametreleri için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Son olarak farklı sıcaklık değerlerinde kinetik çalışmalar gerçekleştirilmiş ve aktivasyon enerjisi Arrhenius denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Çalışmalar sonucunda en aktif katalizör olarak Rh0.2Cu0.8/C-NH2, 481,34 dk–1 (25 oC) çevrim frekansı (TOF) değeri ve optimize edilmiş koşullar altında 31,68 kJ.mol–1 aktivasyon enerjisi (Ea) ile bulunmuştur. Katalizörlerin yüzeyinin morfolojik, elektronik yapısı ve kimyasal özellikleri SEM, EDS, FTIR, XRD, BET ve TEM analizleri ile karakterize edilmiştir.

Hydrogen energy, one of the promising clean energy sources of the future, can be stored in different materials under various temperature and pressure conditions, either physical or chemical. Hydrogen storage methods that require high pressure and temperature are not feasible in terms of both safety and cost. As an alternative to these methods, the storage of hydrogen by obtaining it from chemical hydrides has become a focus of great interest in recent times and has begun to be studied. The NHxBHx group, which has a high hydrogen content, is a safe and harmless hydrogen storage material due to its sustainable feature and can quickly release the stored hydrogen whenever desired through chemical reaction. In this thesis study, it is aimed to develop a nanocatalyst with high catalytic activity and to determine the optimum operating conditions to obtain and store hydrogen in an easy way and with high efficiency under economic conditions, by hydrolysis reaction from methylamine borane, which is in the amine borane group. In this direction, catalytic hydrolysis of methylamine borane with high hydrogen content was carried out on carbon-supported rhodium-based bimetallic nanocatalysts (Rh-M). In order to increase the catalytic activity and stability properties of the rhodium catalyst, bimetallic nanocatalysts were synthesized by adding different metals (M = Ni, Cu, Mo, Mn, Sn, Cr). The synthesized nanocatalysts were used in the hydrolysis experiments of methylamine borane and the most active catalyst was determined as Rh-Cu/C-NH2. Then, optimization studies were carried out for synthesis and hydrolysis reaction parameters. Finally, kinetic studies were carried out at different temperature values and activation energy was calculated using the Arrhenius equation. As a result of the studies, Rh0.2Cu0.8/C-NH2 was found to be the most active catalyst with a turnover frequency (TOF) value of 481,34 min–1 (25 oC) and an activation energy (Ea) of 31,68 kJ.mol–1 under optimized conditions. The morphological, electronic structure and chemical properties of the surface of the catalysts were characterized by SEM, EDS, FTIR, XRD, BET and TEM analysis.