Proje Yürütücüleri

 Hidrojen, dünya üzerinde en yaygın bulunan enerji olmakla birlikte, hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji çeşitleri arasında en yeni ve gelişmeye açık olanlardan bir tanesidir. Hidrojen enerjisi; hidrojenin kimyasal olarak ayrışması sonucu serbest kalan enerjidir. Bu enerji, ısı ve elektrik gibi farklı enerji türlerine dönüştürülebilir. Hidrojen enerjisi, taşımacılıktan sanayiye, uzay roketlerinden petrol üretimine kadar pek çok alanda kullanılır.

Hidrojen, doğal bir yakıt kaynağı olmasa da su, biyokütle, nükleer enerji ve hidrokarbonlar gibi kaynaklardan üretilerek bir enerji taşıyıcısı olarak depolanabilir ve böylece yakıt hücrelerinde elektrik ve ısı üretmek için kullanılabilir. Hidrojenin en büyük avantajlarından biri, bir yakıt hücresinde kullanıldığında yalnızca su, elektrik ve ısı üretmesidir; yani çevreye zararlı herhangi bir atık madde yaymaz. Bu nedenle, hidrojen ve yakıt hücreleri, enerji üretimi açısından oldukça temiz ve verimli bir seçenek olarak öne çıkmaktadır. 

  Amonyum boran, NH3BH3formülüne sahip bir kimyasal bileşiktir. Hava, su ve benzeri çözücülerde kararlıdır ve bozunmaz. Hidrojen depolama uygulamalarında kullanım için uygun termal kararlılıktadır. Hidrojen üretimi için düşük molekül ağırlığı ve yüksek gravimetrik hidrojen kapasitesine sahiptir. Yapısındaki hidrojenin tamamı termoliz, katalitik hidroliz veya metanoliz ile açığa çıkmaktadır. Amonyum boran, hidrojen için ideal depolama ortamı olarak önerilebilir.

Amonyum boranının metanolizi hakkındaki ilk rapor 2007 yılına dayanır. Ramachandran ve Gagare, bir dizi alifatik alkolü karşılaştırdıktan sonra metanolün en iyi sonuçları sağladığını buldular. %1 mol rutenyum klorür varlığında amonyak boran-metanol, ortam koşullarında 1 dakikadan daha kısa sürede 3 eşdeğer hidrojen üretebildi. Ancak, üç eşdeğer hidrojen elde etmek için %15 fazla metanolün gerekli olduğu bulundu.

  Katalitik metanoliz reaksiyonu düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Katalitik metanolizin en iyi yanı, oluşan yan ürünün alanatlar ile amonyak borana geri dönüştürülebilmesidir. Bu sebeple amonyak boranın metanolizi son zamanlarda oldukça dikkat çeken çalışmalardan birisidir. Hidrolize göre metanoliz daha yeni araştırılan ve geliştirilen çalışmadır. Hidroliz reaksiyonunda kullanılan katalizörler metanoliz için de çalışmaya uygundur. 

Metanolizin avantajı ise amonyak gazının açığa çıkmamasıdır. Teorik olarak 1 mol AB’dan 3 mol H2 üretilir. Hidrojen salınımı ise hidrolizde olduğu gibi kontrollüdür.

NH3BH3 + 4MeOH → NH4B(OMe)4 + 3H2

  Bu çalışmada odun talaşından H3PO4 kimyasal aktivasyonu ile aktif karbon üretilmiştir. Ağırlıkça 2:1 asit:odun emdirme oranında ve 400°C’ de aktif karbon üretilmiştir. Kimyasal aktivasyon yönteminde, aktivasyon ajanının kullanılan ham maddeye kütlece oranı emdirme oranı olarak ifade edilmektedir. Bu çalışma kapsamında emdirme oranı, kütlece 2:1 kimyasal madde/odun olarak belirlenmiştir. Emdirme işleminde 10-20 g odun tartılarak belirtilen emdirme oranında toplam çözelti hacmi 600 mL olacak şekilde H3PO4 ile 85 °C’ de 5 saat boyunca ısıtıcılı karıştırıcı üzerinde emdirme işlemi yapılmıştır. Emdirilmiş numune çözeltiden süzülecek daha sonra 85 °C’ de 24 saat etüvde kurutulmuştur. Karbonizasyon işlemi için kimyasal aktivasyonu tamamlanmış örnekten 10 gram reaktöre alınarak 10 °C/dk sabit ısıtma hızı 400 °C’ de azot (N2) gazı altında karbonize edilmiştir. Karbonizasyon sonrası soğutulmuş numune reaktör içerisinden alınarak sıcak distile su ile pH değerleri 6-7 olana dek yıkanmıştır. Yıkanan örnekler 85 °C’ de 24 saat etüvde kurutularak kapalı cam kaplarda saklanmıştır.

 Kataliz, kimyada, reaksiyon sırasında tüketilmeyen bir maddenin eklenmesiyle kimyasal reaksiyon hızının genellikle artırılmasıdır. Kimyasal reaksiyonların gerçekleşme hızı; reaksiyona giren maddelerin kimyasal özelliklerine ve maruz kaldıkları dış koşullara bağlı olarak değişir. Kataliz çalışmaları büyük önem taşır, çünkü birçok endüstriyel süreç, başarılı bir şekilde yürütülebilmek için katalizörlere ihtiyaç duyar. 

    Katalizörler NaBH4indirgeme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Sn/AC katalizörleri için ağırlıkça %1, 5, 10 ve 50 Sn (SnCl2, %99) öncüsü ilk olarak homojen bir şekilde dağılana kadar ultrasonik banyoda saf suda çözündürülecek ardından, destek malzemesi olarak sentezlenen AC çözeltiye eklenecek ve 120 dakika boyunca ultrasonik banyoda ve karıştırıcıda karıştırılmıştır. Son olarak, NaBH4 çözeltiye eklenerek 60 dakika daha karıştırılmıştır. Elde edilen katalizör saf su ile yıkandıktan sonra gece boyunca 85°C’ de kurutulmuştur 

 Katalizörler NaBH4 indirgeme yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Öncelikle ağırlıkça %10  Sn/AC katalizörü sentezlenir. PdSn/AC katalizörlerinin sentezi için ağırlıkça %1, 2 ve 5 Pd öncüsü ilk olarak homojen bir şekilde dağılana kadar ultrasonik banyoda saf suda çözündürülmüş ardından, destek malzemesi olarak sentezlenen Sn/AC çözeltiye eklenmiş ve 120 dakika boyunca ultrasonik banyoda ve karıştırıcıda karıştırılmıştır. Son olarak, NaBH4 çözeltiye eklenerek 60 dakika daha karıştırılmıştır. Elde edilen katalizör saf su ile yıkandıktan sonra gece boyunca 85°C’ de kurutulmuştur. 

    AB’ nin metanolizi ile hidrojen üretiminde Sn/AC aktif karbon katalizör olarak kullanılarak hidrojen üretim hızı belirlenmiştir. Şekil 1’ de verilen sistemde bulanan balona belirli miktardaki amonyak boran ve katalizör toz halde konulacak ve ağzı septumla kapatılıp su banyosuna yerleştirilmiştir. Balon 25 ºC’ de bekletildikten sonra üzerine aynı sıcaklıktaki metanol ilave edilmiştir. Açığa çıkan gaz büret içerisindeki suyu iterek çıkan gaz hacmi kadar suyun yer değiştirmesini sağlar. Oluşan gaz hacmi zamana karşı not edilmiştir. Farklı katalizör oranı, farklı AB miktarı ve farklı sıcaklık değerleri için aynı prosedür uygulanarak parametrelerin hidrojen üretim hızı üzerindeki etkileri incelenmiş ve optimum reaksiyon şartları belirlenmiştir. 

Amonyum boranın metanolizi ile hidrojen üretiminde Sn/AC katalizörlerinin katalitik aktiviteleri hidrojen üretim hızı (HGR), Devir frekansı (Turnover Frequency (TOF)), Devir sayısı (Turnover Number (TON)) üzerinden sırası ile belirlenmiştir 

SEM görüntüsü incelendiğinde, aktif karbonun yüzey morfolojisinde yer alan gözenekli yapı görülmektedir. H3PO4 ile aktive edilen hammaddenin yapısı karbonizasyon sırasında bozularak bu gözenekli yapıyı oluşturmuştur. 

 EDS spektrumunda görülen Na ise kalayın aktif karbon üzerine indirgenmesi sürecinden kaynaklanmaktadır. EDX spektrumu verilen katalizörün elementel içeriği görülmektedir. Katalizörün %73,90 C, %17,80 O, %1.14 Na, %1.34 P ve %5,81 Sn içerdiği belirlenmiştir. Aktif karbonun C-O gruplarından oluştuğu bilinmektedir. Bunun yanı sıra fosforik asit ile aktive edilen karbon yüzeyinde fosfor (P) bağlandığı görülmüştür. Hidrojen üretiminde katalizör yüzeyinde bağlı bulunan P ve O gruplarının hidrojen üretim hızını etkilediği bazı çalışmalarda bildirilmiştir.   

XRD paterni incelendiğinde 2θ 20º~25º'deki geniş pik aktif karbonun amorf yapısına atfedilebilir. Aktif karbona ait bu geniş pike ek olarak, SnCl2 yüklenmiş örnekte SnCl2 (110) ve (101) kafes düzlemlerine atfedilen 2θ 30,86° ve 32,20°’ de iki küçük kırınım zirvesi göstermiştir [28]. Sn-AC’nin XRD deseni, Sn’nin aktif karbon üzerine NaBH4 indirgeme yoluyla yüklendiğini göstermiştir. 

Sn-AC katalizörünün FTIR, XRD, ICP ve SEM-EDS analizleri katalizörün sentezinde aktif karbon yapı üzerine Sn metal partiküllerin bağlandığı göstermiştir.

 SEM görüntüsü incelendiğinde, aktif karbonun yüzey morfolojisinde yer alan gözenekli yapı görülmektedir. H3PO4 ile aktive edilen hammaddenin yapısı karbonizasyon sırasında bozularak bu gözenekli yapıyı oluşturmuştur.  

EDX spektrumu verilen katalizörün elementel içeriği görülmektedir. Katalizörün %87,08 C, %9,94 O, %0,69 Na, %0,38 P, %0,39 Pd ve %1,5 Sn içerdiği belirlenmiştir. Aktif karbonun C-O gruplarından oluştuğu bilinmektedir. Bunun yanı sıra fosforik asit ile aktive edilen karbon yüzeyinde fosfor (P) bağlandığı görülmüştür. Hidrojen üretiminde katalizör yüzeyinde bağlı bulunan P ve O gruplarının hidrojen üretim hızını etkilediği bazı çalışmalarda bildirilmiştir. EDS spektrumunda görülen Na ise kalayın aktif karbon üzerine indirgenmesi sürecinden kaynaklanmaktadır. Kalay ve Paladyum, aktif karbon yüzeyine NaBH4indirgeme yöntemi uygulanarak yüklenmiştir.  Şekilde göründüğü gibi katalizörün üzerinde paladyum ve kalay bulunmaktadır. 

PdSn-AC katalizörünün XRD desenini göstermektedir. AC’nin XRD deseni, 2θ 24.42°’ de olağan geniş tepeye sahiptir ve amorf karbon yapısı olarak atanmıştır. SnCl22θ 32.35°’ de küçük kırınım zirvesi göstermiştir. Pd (111) yüz merkezli paladyum kristal düzlemlerine karşılık gelen 2θ 40.32°’ deki karakteristik tepe ile temsil edildiği söylenebilir. Sn/Pd-AC’ nin XRD deseni, Sn ve Pd’ un aktif karbon üzerine indirgeme yoluyla yüklendiğini göstermiştir. 

Sn/Pd-AC katalizörlerinin XRD ve SEM-EDS analizleri katalizörün sentezinde aktif karbon yapı üzerine metal partiküllerin bağlandığı göstermiştir.