Grafitik karbon nitrür temelli heteroeklem fotokatalizör tasarımları ile amonyak boranın dehidrojenlenmesinde etkinliği yüksek platin nanokatalizörlerinin geliştirilmesi

Yakın geçmişte, ilgili teknolojik/bilimsel alandaki gelişmeler sayesinde hidrojenin verimli bir enerji taşıyıcısı olarak yakıt pillerinde, taşınabilir cihazlarda, toplu taşıma araçlarında ve şebeke sistemlerinde kullanımı başlamıştır. Bununla birlikte, hidrojenin güvenli depolanması ve dağıtımı, hidrojen enerjisine dayalı toplumun önünde hala devam eden zorluklardır. Katı kimyasal hidrojen depolama bileşiklerinin hidrojen enerji taşıyıcı sistemleri olarak uygulanması, en umut verici çözümlerden biridir. Katı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında amonyak boran (NH3BH3, AB), avantajlı özellikleri nedeniyle kimyasal hidrojen depolaması için en uygun malzemelerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. AB'den H2 üretimi için uygulanan çeşitli yöntemler sayesinde, uygun bir metal katalizör varlığında 3 eşdeğer H2 gazının salınmasıyla sonuçlanan hidroliz yöntemi, mobil uygulamalar için en çok tercih edilen yöntemdir. Bugüne kadar test edilen çok sayıda katalizör arasından, yüksek yüzey alanlı ve gözenekli malzemeler üzerinde desteklenen Platin nanopartiküller (Pt NP'ler), AB hidrolizi için en yüksek katalitik aktivitelerden biri olarak rapor edilmiştir. Bununla birlikte, bu Pt NP'ler genellikle yüksek sıcaklıkta yüzey aktif madde destekli ayrışma ve Pt öncüllerinin indirgenmesini içeren özel yöntemler izlenerek sentezlenir ve daha sonra elde edilen yüksek oranda tekil dağılımlı Pt NP'ler, aglomerasyonlarını önlemek için uygun bir destek malzemesi üzerinde biriktirilir. Desteklenen Pt NP'leri sentezlemenin bir başka yolu, Pt öncülünün destek malzemesine emdirilmesi ve ardından bunların katalitik reaksiyon ortamında indirgenmesini içeren yerinde sentez yöntemidir. Bu yöntem, sürdürülebilir, pratik, yeşil, atom ekonomik, uygun maliyetli ve zaman kazandıran olma gibi ilkine göre belirgin avantajlara sahiptir. Burada, kararlı ve yeniden kullanılabilir nanokatalizörler elde etmek için destek malzemesinin seçimi çok önemlidir. Grafitik karbon nitrür (g-CN), tri-s-triazin birimleri arasındaki nitrojen bakımından zengin "altı katlı boşlukları" nedeniyle Pt NP'leri stabilize etmek için uygun bir substrat olarak önerilmiştir. Ek olarak, metal ile güçlü etkileşim kabiliyeti ve farklı sentez prosedürleri izlenerek elde edilen ayarlanabilir yüzey alanı ve morfolojisine sahiptir. Ayrıca g-CN, Pt NP'ler ve diğer uygun yarı iletken malzemelerle heteroeklemlerin inşası için mevcut bant konumlarına sahip, görünür ışıkta aktif bir yarı iletken malzemedir. Bu tezde, g-CN bazlı heteroeklem fotokatalizörlerin rasyonel tasarımı ile AB hidrolizinde Pt nanokatalizörlerinin katalitik aktivitesinin arttırılması amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek için, ilk olarak, beyaz ışık altında AB'nin katalitik hidrolizi sırasında mezogözenekli g-CN üzerinde desteklenen Pt NP'lerin (m-g-CN/Pt) yerinde üretimi için yeni bir yöntem geliştirilmiştir. İkinci olarak, m-g-CN' ye kıyasla kolay ve yeşil bir sentez yaklaşımıyla, bir amin öncüsü olarak üre kullanılarak sentezlenen U-g-CN, Pt NP' lerin yerinde üretimi için bir destek malzemesi olarak kullanılmıştır. U-g-CN/Pt, aynı koşullar altında m-g-CN/Pt nanokatalizörlerinden daha iyi katalitik performans göstermiştir. Daha sonra, Pt bazlı nanokatalizörlerin AB hidrolizinde katalitik aktivitesini daha da arttırmak için, dikkatimizi U-g-CN üzerinde desteklenen bimetalik MPt NP' lerin (U-g-CN/MPt) yerinde sentezine çevirdik. Gerçekten de, U-g-CN/Pt92Au8 ve U-g-CN/Pt85Au15 nanokatalizörleri, sırasıyla 68.9 ve 67.4 L H2 gPt-1 min-1 hidrogen üretim hızı sağlayarak, monometalik muadiline kıyasla (60.4 L H2 gPt-1 min-1) daha yüksek bir katalitik aktivite sağlamıştır. Elde edilen bu aktivite artışı, alaşım etkisine, yüzey plazmon rezonans (SPR) katkısına ve heterojunction oluşumuna atfedilmiştir. Üçüncü olarak, tezin asıl amacına uygun olarak, U-g-CN' nin optik özelliklerini ve yük kinetiğini göz önünde bulundurarak ve uygun bant aralığına ve bant potansiyellerine sahip diğer yarı iletkenlerle heteroeklem inşa ederek, Pt NP lerin U-g-CN/WOx ikili nanokompozitleri üzerinde desteklenmesiyle, Pt nanokatalizörlerinin AB hidrolizindeki aktivitelerini daha da arttırmak amaçlanmıştır. Sonuçlar, U-g-CN/WOx/Pt nanokatalizörlerinin, maksimum 48.1 L H2 gPt-1 min-1 hidrojen üretim hızı sağlayarak U-g-CN/Pt' den daha yüksek bir katalitik aktivite gösterdiğini ortaya konulmuştur. Elde edilen tüm Pt nanokatalizörleri (m-g-CN/Pt, U-g-CN/Pt, U-g-CN/MPt ve U-g-CN/WOx/Pt), TEM, HR-TEM, XPS, XRD, ICP-MS, FTIR, PL ve TRES teknikleri ile karakterize edilerek, her adımda daha da gelişmiş fotokatalitik aktivitelerin arkasındaki nedenler açıklığa kavuşturulmuştur. Ayrıca AB hidrolizinde geliştirilen her Pt bazlı nanokatalizör için kinetik çalışmaların sonuçları, hız denklemi, aktivasyon parametreleri ve yeniden kullanılabilirlik testi de rapor edilmiştir. Özetle bu tez, g-CN' nin heteroyapıların rasyonel tasarımı için elverişliliği nedeniyle, AB'nin hidrolizinden hidrojen üretiminde katalitik olarak aktif Pt veya MPt NP'lerin yerinde sentezi için destek ve stabilizatör olarak, uygun bir substrat olduğunu göstermektedir.