Synthesis and investigation of hydrogen storage properties of Mg(BH4)2 and investigation on structural modification in MgB2

Kompleks metal bor hidrürler, MBH4 (M+ = Li, Na, K), M(BH4)2 (M2+= Mg, Ca, Zn, Sn, Cu) ve M (BH4)3 (M3+ = Al) gibi, yüksek gravimetrik ve volumetrik depolama kapasiteleri nedeniyle katı-hal hidrojen depolama malzemesi kullanımı için çok ilgi çekmektedir. Mg(BH4)2 bu serinin en yüksek potansile sahip olan yoğun bir şekilde üzerinde araştırılmalar yapılan fakat ancak küçük ölçekte bir üretimi gerçekleştirilebilen bir malzemedir. Sentezi işleminin oldukça kompleks olması ve nispeten yüksek maaliyetli bir malzeme olması kullanımını engelemiş ve teknik ve bilimsel uygulamalar için ana dezavantajı oluşturmuştur. Bu çalışmada, beş farklı çoklu adım mekanokimyasal ve ıslak karıştırma senteziyle -tümü MgX2 (X = Cl, Br) ve NaBH4 metatez reaksiyonuna dayandırılan- değirmende ya da dietileter içinde yapilmiş ve kolay ve uygun bir şekilde Mg(BH4)2 hazırlanması çalışılmıştır. Buna ek olarak, yeni ve uygun bir yöntem olarak olarak, bir otoklav içinde nispeten yüksek bir basınç ve yüksek sıcaklıkta dietil eter çözücü olarak test edilmiştir. Mg(BH4)2, gece boyunca Soxhlet yöntemle reaksiyon ürünü olarak elde edilmiştir. Çözücü buharlaştırıldıktan sonra %63 verim ile yüksek derecede saflıkta Mg(BH4) elde edilmiştir. MgCl2 aksine, MgBr2 dietileter içinde çok az ve kısmen çözünmektedir. Bu sebepten dolayı, bromit kullanımı reaksiyon hızını ve Mg(BH4)2 verimini artırır. Şaşırtıcı şekilde, sentez sonucu nda sadece saf magnezyum borohidrid ve NaBr değil ve aynı zamanda karışık fazlarda NaBr1-x(BH4)x ve/veya Na(BH4)1-yBry, da katıhal oluşumunda görülmüştür. Otaklavda farklı sıcaklıklarda hazırlanan numuneler, değirmen hızının, karıştırma zamanının ve tepkimeye giren malzeme oranının etkilerinin incelenmesi amacıyla, XRPD ve ATR-FTIR ile katı çözelti oluşumu ile ilgili olarak ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Son olarak, Mg(BH4)2 nin hidrojen giderme davranışı, metal amidler ve MgBr2 ile kombinasyonlar halinde incelenmiştir. Mg(BH4)2-NaNH2, Mg(BH4)2-LiNH2, Mg(BH4)2-Mg(NH2)2 sistemler için, ayrışma yolu XRPD, DTA-TG-MS, DSC and ATR-FTIR spektroskopisi kullanılarak esas alındı. Söz konusu sistemlerde, H2 başlangıç sıcaklığı salınımında bir iyileşme sağlanırken, NH3 ve B2H6 salınımı büyük oranda azaltılmış ya da bastırılmıştır. Hidrojen salınımı sırasıyla üç yada dört adımda gerçekleşen diger karışımlar ve saf Mg(BH4)2 den farklı olarak, ilginç olarak hi drojen salınımı Mg(BH4)2-Mg(NH2)2 karışımlarında iki aşamada gerçekleşir. MgB2, Mg(BH4)2 nin 600°C 'de termal bozunması sonucunda elde edilen nihai ürünüdür . Bu basit bileşik iki bileşenli süperiletken malzeme olarak çeşitli mühendislik uygulamalarında kullanımı için büyük potansiyele sahiptir. Bu tezin ikinci bölümünde, nano yapılı MgB2 sentezinin yanısıra, yapısal modifikasyonu da ön planda tutularak incelenmistir. Mikron büyüklüğündeki MgB2 parçacıkları, Ar gazı ortamında bor ve magnezyum tozlarının katıhal reaksiyonu sonucunda elde edilir. Ancak, nano boyuttaki malzeme sentezi, SEM ve TEM görüntüleri ile ispatlandığı üzere ancak nano boyutlu bor tozu, öncü olarak kullanıldığında başarılı olur. Nano boyutta boron kullanıldığı zaman de MgO içeriğinde bir azalma görüldüğü Rietveld analizi ile de doğrulanmıştır. Hacimsel ve nano parçacık MgB2 nin kusur yapıları temel olarak MgB2 içerisindeki Mg boşluk kusurlarının nano ölçekte varlığının kanıtlandığı X-bant elektron paramanyetik rezonanstır (EPR) spektrometresi yardımıyla incelenmiştir. Buna ek olarak, karbon katkılandırılmış MgB2 nin mikroskopik yapı kusurları XRPD, Raman spektroskopisi ve EPR ile sistematik olarak incelenmiştir. Mg boşluk kusurları ve C-ilişkili sarkan-bağ aktif merkezleri ayırt edilmiş ve karbon radikalleri tespit edilmiştir. EPR analizi yardımıyla 10-40 K arasında bir sıcaklık aralığında, C katkılanmasından kaynaklanan kritik sıcaklık, Tc, değerinde düşüş tespit edilmiştir.