Preparation of metal/graphene composites for ammonia decomposition reaction

Günümüzde fosil yakıtlar ana enerji kaynağı olarak kullanılmakta, yakın gelecekte bu kaynaklara erişim olmayacaktır. Sınırlı olmasının dışında, yakıldığında, fosil yakıtlar çevre ve canlıların sağlığına zararlı gazların salınmasına neden olur1. Bu durum insanlığı, temiz ve sürdürülebilir alternatif enerji kaynaklarının araştırmasına yönlendirmiştir. Bu noktada hidrojen enerjisi yakıldığında ortaya çıkan yüksek enerji ve temiz bir kaynak olması sebebiyle alternatifler arasında öne çıkmaktadır2. Ancak, hidrojenin depolanma ve lojistiğinin sağlanması için çok düşük sıcaklıklar veya yüksek basınçlı sistemler gereklidir. Bu sistemler ekonomik açıdan uygulanabilir olmamasının dışında tehlikelidir. Bu sorunun üstesinden gelebilmek adına, önerilen çözümlerden biri hidrojenin daha sonra parçalanma reaksiyonları ile elde edilmesi üzere kimyasallar içinde depolanmasıdır. Amonyak hidrojen içeren kimyasallar arasında, ağırlığının %17,7'sinin hidrojen olması, oda sıcaklığında sıvı olması (8-10 barda), bilindik üretim sürecine sahip olması ve risklerinin iyi bilinmesi sebebiyle öne çıkmıştır3. Özellike düşük sıcaklık ve basınçta amonyak parçalama reaksiyonunun gerçekleşebilmesi için katalizör yüzeyine ihtiyaç duyulmaktadır. Çeşitli metallerin katalitik aktivitesi kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu reaksiyon için bilinen en aktif katalizör rutenyumdur, fakat rutenyum nadir ve pahalı bir metaldir. Alternatif olarak, nikel, demir ve kobalt metallerinin de katalitik aktivitesi olduğu bilinmektedir 1. Bir katalitik reaksiyon sisteminde, metal katalizörün yüksek yüzey alanı üzerinde dağılımı ve uygun elektronik özelliklerin sağlanması dönüşümün gerçekleşmesi için gereklidir. Literatürde metal oksit veya karbon bazlı olmak üzere katalizör destek malzemeleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Grafen sıra dışı kimyasal ve elektriksel özellikleri sayesinde ümit vadeden katalizör destek malzemeleri arasındadır. Ek olarak, yüksek yüzey alanına sahip ve elektrik iletkeni 3B bir yapı olan grafen aerojel katalitik reaksiyonlarda destek malzemesi olmak için mükemmel bir adaydır. Bu çalışmada metal yüklü grafen aerojellerin amonyak parçalama reaksiyonundaki katalitik aktiviteleri incelenmiştir. Grafen oksit öncül malzemesi modifiye Hummers' metodu ile sentezlenmiştir. Grafen aerojeller üç aşamalı bir sentez ile hazırlanmıştır; grafen oksitin hidrotermal reaksiyonu, süper kritik karbon dioksit ile kurutma ve termal indirgenme. Ek olarak metal yüklemeleri için daldırma yöntemi eklenmiştir. Daldırma çözeltilerinin derişimi ile metal yükleme oranlarının bağlantısı incelenmiştir. 600 ⁰C sıcaklıkta %21.33 demir yüklü katalizör %100 amonyak çevirimine erişmiştir. Alkali metal katkısının katalitik aktiviteye etkisi de incelenmiş fakat, bu eklemenin katalitik aktivitede düşüşe sebep olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, Demir/grafen aerojel sistemi yüksek stabilite göstermiş olup 600 ⁰C sıcaklıkta 36 saat stabil kalmıştır. Grafen aerojel destekli kobalt katalizörün de amonyak parçalama reaksiyonundaki performansı ölçülmüştür. Kobalt/grafen aerojel sistemi ise 600 ⁰C sıcaklıkta %87.7 amonyak dönüşümüne ulaşabilmiştir. Demir yüklü katalizörlerin aksine, kobalt katalizörlerde stabil olmayan dakikalar içerisinde keskin düşüşlerin olduğu bir dönüşüm izlenmiştir. Kobalt katalizörlerine lityum eklemesi amonyak dönüşümünde önemli bir artış göstermiş fakat stabilite sorununa çözüm olamamıştır.