Cox emisyonu olmadan amonyak ayrıştırması ile hidrojen üretimi için yüksek performans katalizörler olarak metal nanoparçacıkları (ru ve ni) ile dekore edilmiş grafen aerojeller

Fosil yakıtların kullanımını ve olumsuz sonuçlarını azaltmak için en çok umut vadeden alternatif enerji kaynaklarından biri hidrojendir. Ancak, hidrojenin depolanması ve taşınması sert koşullar gerektirir. Bu sorun hidrojenin amonyak içerisinde kimyasal olarak depolanmasıyla aşılabilir çünkü amonyak yüksek hidrojen yüzdesi, iyi bilinen altyapı sistemi ve karbon içermeyen elementel içeriği gibi avantajları sunar. Kısıtlı miktarda bulunabilen ve dolayısıyla fiyatı yüksek olan Rutenyum amonyak ayrıştırma tepkimesi için en aktif metaldir. Dolayısıyla, bu değerli metalin verimli kullanımı katalizörlerin tasarımında kritik önem taşımaktadır. Buna ek olarak, nikel ise en aktif ikinci metaldir ve daha fazla bulunabilir olmasından ötürü fiyatı da rutenyumdan daha ucuzdur. Fakat, amonyak ayrıştırmasında yüksek tepkime hızlarına ulaşabilmek için nikel bazik ve yüksek yüzey alanına sahip destek malzemesine ihtiyaç duyar. Bu tez çalışmasında, grafen aerojel (GA) yüksek spesifik yüzey alanı, yüksek oranda porlu üç boyutlu yapısı, yüksek elektriksel iletkenliği ve oksijen içeren fonksiyonel grupların bolluğu ile umut vadeden bir katalizör destek malzemesidir ve bu çalışmada rutenyum ve nikel nanoparçacıklarına destek malzemesi olarak amonyak ayrıştırma tepkimsinden COx emisyonu olmadan hidrojen üretiminde yüksek katalitik aktivite elde etmek amacıyla kullanılmıştır. İlk olarak, bir Ru katalizör ailesi amonyak ayrıştırma tepkimesinden yüksek performans elde etmek için Ru'yu GA üzerine yüksek kütlesel yüklemelerde dağıtarak üretilmiştir. Amonyak ayrıştırma tepkimesi katalitik performans ölçümleri, GA destekli, kütlesel %13.6 Ru yüklenmiş katalizörün 30,000 mL NH3 gkat-1 sa-1'de ve 450 °C'de %71.5'lik bir amonyak dönüşüm değeri elde edilmiştir ve bu değer 21.9 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir. K eklemesi ise aynı tepkime koşulları altında, rekor yükseklikte amonyak dönüşüm değeri olan %97.6 elde edilinmesini sağlamıştır ve bu değer 30.0 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir ve bu katalizörün en az 80 saat stabil çalıştığı gösterilmiştir. Katalizörlerin dönüşüm devir sıklığı kıyaslaması ise K eklemesinin katalizördeki aktif Ru alanlarının sayısını ve bunların tepkimeye girmeye uygun elektron yoğunluğunu artırdığını göstermiştir. İkinci olarak, üç farklı pH değerine sahip, üç farklı nikel öncü çözeltisi GA'ya nikel yükleyerek katalizör eldesi için kullanılmıştır ve bu katalizörler amonyak ayrıştırma tepkimesinde kullanılmıştır. Karakterizasyon ve katalitik performans ölçümleri en iyi dağılımlı ve en homojen Ni nanoparçacıklarının ve en iyi katalitik performansın Ni (II) acetylacetonate (Ni(acac)2) öncü kimyasalı kullanılarak ulaşıldığını göstermiştir. Ni(acac)2 ile hazırlanan ve daldırma çözeltisi pH'ı 10.2 olan GA destekli Ni katalizöründe ortalama Ni nanoparçacık boyutu 13.6 ± 4.3 nm olarak gözlemlenmiştir. Kütlesel %11.1 Ni yüklü bu katalizör, 30,000 mL NH3 gkat-1 sa-1'de ve 600 °C'de %70.2'lik amonyak dönüşüm değeri sağlamıştır ve bu değer 21.5 mmol H2 gkat-1 dk-1 hidrojen üretimine denk gelmektedir. Elde edilen veriler Ni öncü kimyasalının daldırma çözeltisinin pH'ına etki ettiği ve pH'ın da nanoparçacık dağılımı kadar katalitik aktiviteyi etkileyen ana faktörlerden olduğunu göstermiştir. Ayrıca, sıfır yük noktası (PZC) ile daldırma çözeltisi pH'ı arasındaki farkı kontrol etmenin de amonyak ayrıştırma tepkimesinde katailitik performansı etkilediği gösterilmiştir. Sonuç olarak, Ni(acac)2 ile hazırlanan daldırma çözeltisi Ni(NO3)2.6H2O ile hazırlanandan daha yüksek pH'a sahip olduğundan, en iyi katalitik özellikleri Ni(acac)2 ile hazırlanan katalizör göstermiştir.