Borhidrür bileşiklerinden hidrojen eldesinde kullanılmak üzere manyetik katalizörlerin hazırlanması

Bu tez çalışmasında; hidrotermal yöntem kullanılarak sentezlenen demir (III) oksit (Fe₃O₄) tabanlı manyetik nanokompozitler ile bu yapıların yüzeyine çeşitli metaller desteklenerek hazırlanan manyetik nanokompozit katalizörler, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Mo, Fe₃O₄@SiO₂/Co–Cr, Fe₃O₄@Al₂O₃/Co–Cs, CeO₂@(Cr–Fe/Co) ve Fe₃O₄@CeVO₄ /(Cr–Fe/Co), hidrojen üretimi amacıyla kullanılmıştır. Bu katalizörlerin etkinliği; sodyum borhidrür (NaBH₄) ve potasyum borhidrür (KBH₄) bileşiklerinin hidroliz ve metanoliz reaksiyonları yoluyla gerçekleştirilen hidrojen üretimi süreçlerinde incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında hazırlanan Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığı, NaBH₄'ün metanoliz reaksiyonunda yüksek etkinlik göstermiş ve 30 °C, %1,5 NaBH₄ ve 100 mg katalizör koşullarında 2721,9 ml/gₖₐₜ dk. düzeyinde hidrojen üretim hızı (HGR) elde edilmiştir. Aktivasyon enerjisi 27,18 kJ/mol olarak belirlenmiş; XRD analizi Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığının, ortalama 10,35 nm partikül boyutuna sahip yüksek saflıkta kristal yapıda olduğunu göstermiştir. Yeniden kullanabilirlik deneylerinde, Fe₃O₄ manyetik nanoparçacığının altı döngü sonunda %99 oranında katalitik aktivitesini koruduğu tespit edilmiştir. Çekirdek malzeme olarak Fe₃O₄'ün kullanıldığı Fe₃O₄@SiO₂ manyetik nanokompoziti hazırlanmış ve NaBH₄ ile KBH₄'ün hidroliz/metanoliz reaksiyonlarında test edilmiştir. Ancak belirgin bir katalitik aktivite gözlemlenmemiştir. Bu sebeple hazırlanan bu yapı üzerine çeşitli metalik katkılı katalizörler hazırlananrak katalitik aktiviteleri incelenmiştr. v Hazırlanan Fe₃O₄@SiO₂/Co-Mo manyetik nanokompozit katalizörü, hem NaBH₄ hem de KBH₄ hidrolizinde yüksek katalitik performans sergilemiştir. Katalizörün ortalama partikül boyutu 100–200 nm aralığında olup, yüzey alanı 26,54 m²/g olarak belirlenmiştir. NaBH₄ hidrolizi, %1 NaBH₄, %7 NaOH ve 100 mg katalizör koşullarında yürütülmüş; bu ortamda 16,4 L/gₘₑₜₐₗ dk. HGR değeri ve 32,18 kJ/mol aktivasyon enerjisi elde edilmiştir. KBH₄ hidrolizi ise %1 KBH₄, %3 KOH ve 100 mg katalizör koşullarında gerçekleştirilmiş olup, 14,5 L/gₘₑₜₐₗ dk. HGR değeri ve 23,72 kJ/mol aktivasyon enerjisi hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, Co-Mo katkısının Fe₃O₄@SiO₂ manyetik nanokompozitinin katalitik aktivitesini belirgin şekilde artırdığını ortaya koymuştur. Hazırlanan Fe₃O₄@SiO₂/Co-Cr manyetik nanokompozit katalizörünün küresel yapıda ve ortalama 200 nm boyutunda olduğu belirlenmiş olup, yüzey alanı 46,67 m²/g olarak hesaplanmıştır. NaBH₄ hidrolizinde, %7 NaOH, %1 NaBH₄ ve 100 mg katalizör varlığında HGR değeri 22,20 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 20,75 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Katalizörün, altı kez yeniden kullanım sonrasında, katalitik aktivitesini kaybetmediği tespit edilmiştir. Hazırlanan Fe₃O₄@Al₂O₃/Co-Cs manyetik nanokompozit katalizörü, 127,60 m²/g yüksek yüzey alanı ve çiçek benzeri morfolojisiyle karakterize edilmiştir. %1 NaBH₄, %3 NaOH, ve 50 mg katalizör varlığında HGR değeri 17,24 L/ gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 26,65 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Yeniden kullanabilirlik deneylerinden katalizörün dört döngü sonunda yüksek katalitik aktivite gösterdiği belirlenmiştir. Hazırlanan CeO₂@(Cr–Fe/Co) nanokompozitinin küresel yapıda ve 18,53 m²/g yüzey alanına sahip olduğu belirlenmiştir. NaBH₄ hidrolizinde, %1 NaBH₄, %1 NaOH ve 100 mg katalizör varlığınında HGR değeri 13,05 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 18,59 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. KBH₄ hidrolizinde ise %1 KBH₄, %1 KOH ve 50 mg katalizör varlığında HGR değeri 9,06 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 30,02 kJ/mol bulunmuştur. Hazırlanan Fe₃O₄@CeVO₄/(Cr-Fe/Co) manyetik nanokompozit katalizörünün, ortalama 60–70 nm boyut aralığında, küresel yapıda olduğu belirlenmiş olup yüzey alanı 46,34 m²/g tespit edilmiştir. NaBH₄ hidrolizinde, %3 NaOH, %1 NaBH₄, ve 100 mg katalizör varlığında HGR değeri 19,65 L/gₘₑₜₐₗ dk. ve aktivasyon enerjisi 30,43 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Katalizör, beş döngü sonunda aktivite kaybı göstermeyerek yüksek kararlılık sergilemiştir.