Zararlı gazların katalitik filtrasyonunda kullanılan gözenekli heterojen destek katalizörlerin üretilmesi ve katalitik etkinliklerinin incelenmesi

Sanayide fabrikaların yanma tesislerinde ve içten yanmalı motorlarda hava yakıt karışımı yanarak atmosfere karışır. Motorlu araçların tümü ve sanayi bacaları egzoz emisyonu üretir. Pek çok farklı hidrokarbon içeriğine sahip olan ve motoru çalıştırmak için kullanılan araçların yakıtları, insan sağlığı ve çevreye oldukça zararlıdır. Egzozlardan çıkan gazın, çevreye verdiği zarar azımsanamayacak derecede büyüktür. Baca gazlarından ve motorlu taşıtlardan kaynaklanan bu zehirli gazlar filtrelenmediği takdirde atmosfere yaydığı zarar çok fazladır. Doğa ve insan sağlığı açısından oldukça zararlı olan bu gazları zararsız hale dönüştürmek için katalitik dönüştürücüler kullanılır. Bu çalışmada, ilk aşamada, termal genleşme katsayısı düşük, seramik bal peteği formunda ticari olarak elde edilen kordiyerit (SiO2.Al2O3.MgO) destek malzemesi üzerine gözenekli ve yüksek yüzey alanına sahip ara katmanlı malzemeler elde edilmiştir. Ayrıca toz halinde saf kordiyerit destek malzemesi sentezlenmiştir. Elde edilen bu toz malzemeler üzerine ara kaplama işlemi uygulanarak yüksek yüzey alanına sahip bileşikler elde edilmiştir. Destek malzemeleri, toz ve monolit kordiyerit yüzeyine ara katman maddeleri tutturulmadan önce HCl ile muamele edilerek yüzeylerin gözenek boyutları arttırılarak aktif hale getirilmiştir. Kordiyerit destek malzemelerine oksijen tutma kapasitesi yüksek, seryum bileşiği (Ce) ile birlikte itriyum (Y) ve lantanyum (La) bileşiklerinden oksitler oluşarak yaklaşık %5 oranlarda katkılanmıştır. Ara kaplamanın katalitik çalışmalarına olumlu ya da olumsuz etkisini gözlemlemek adına itriyum (Y) ve lantanyum (La) belirli oranlarda (Y:La, 1:1) olacak şekilde destek materyaline kaplanmıştır. Ayrıca bu çalışmada seryum bileşiği ile birlikte refrakter, sert ve kimyasal saldırılara karşı dirençli olduğu için zirkon (Zr) bileğişi de destek materyal üzerinde Ce:Zr (1:1) mol oranında kaplanmıştır (CZ). Kaplanmış destek malzemeleri üzerine ~%1 oranlarında Pd, Pt ve Ru elementleri ve ~%0.5 oranlarında Rh elementi emdirme yöntemi ile katkılanarak, katalitik aktivite çalışmaları gerçekleşmiştir. Ayrıca, doğal formda bulunan ve içerisinde yüksek miktarda SiO2, TiO2 ve ZrO2 bulunan kum numunesi (DK) ile çalışılmıştır. DK kodlu numune HCl ile asit yüzey aktifleştirildikten sonra ~%1 Pd ile kaplanarak katalitik aktivitesi ölçülmüştür. DK örneğinin herhangi bir kaplama işlemi olmadan %98.78 gibi yüksek CO→CO2 dönüşümüne sahip olduğu gözlemlenmiştir. Katalizör olarak hazırlanan bu ürün, zararlı gazların filtrasyonu için yüksek maliyetli ve zaman alıcı ara kaplamaya dayalı ürünlere alternatif olabilir. Ce ara kaplamasının katalitik aktivitiye etkisini ölçmek adına kordiyerit monolit bileşiği saf halde (kaplamasız) ~%1 Pd ile katkılanmıştır (Cor-Pd). Pd ile yapılan katalitik dönüşüm çalışmalarında kordiyerit monolit üzerine katkılanan tüm ara katman bileşiklerinin (Ce:La:Y:Zr- C-Cor:L-Cor:Y-Cor:Z-Cor) yüksek CO→CO2 dönüşümüne (>% 99.00) sahip olduğu gözlemlenmiştir. Ara kaplamasız kordiyerit monolit bileşiğinin (Cor-Pd), beklenildiği gibi düşük katalitik etkiye (%82.12) ve düşük CO→CO2 dönüşümüne sahip olduğu gözlemlenmiştir. ~%1 Pd kaplanmış, sentezlenen toz kordiyerit örneğinin (pCor-Pd) katalitik aktivitesi incelendiğinde %99.01 oranında yüksek CO→CO2 dönüşümü gözlemlenmiştir. Hibrit kaplama tekniklerinden CZ kodlu örnek, çalışmada en yüksek katalitik aktiviteyi göstermiştir (%99.81). Hibrit kaplama tekniklerinden YL kodlu örnek, çalışmada en düşük katalitik aktiviteyi göstermiştir (%72.82). NOx gazının dönüşüm çalışmaları için Pd ve Rh metal yüklü monolitler kullanılmıştır. Rodyum ve paladyum, NOx dönüşümünü desteklemek için katalitik konvertörlerde kullanılan soy metallerdir. Rodyum, yüksek sıcaklıklarda yüksek NOx dönüşüm verimliliği ile bilinirken, paladyumun düşük sıcaklıklarda daha etkili olduğu bilinmektedir. Rh metali monolit kordiyerit üzerine ~%0.5 tutturularak (C-Cor/Rh) katalitik aktivite çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmamızda Rh'lu katalizör bileşiğinin, zararlı NO gazının neredeyse tamamını (%99.96) dönüştürdüğü gözlemlenmiştir. ~%1 Pd 'lu monolit bileşiğinin (C-Cor/Pd) de zararlı NO gazının neredeyse tamamını (%99.94) dönüştürdüğü gözlemlenmiştir. Her iki katalizörün zararlı NOx gazı dönüşümlerinde yüksek verime sahip olduğu gözlenmiştir. Rodyum metalinin hem CO→CO2 hem de NOx→N2 gazlarının dönüşümünde yüksek verime sahip olmasının avantajlarının yanı sıra, doğada çok az bulunması, bu özelliğinden dolayı yüksek maliyetli bir metal olarak bilinmesi, Rh'un katalitik dönüştürücü olarak kullanılmasını sınırlandırmıştır. Rodyum'un bu kısıtlamasından dolayı ileriki çalışmalarda destek materyali üzerine miktarı azaltılmış Rh ile diğer kıymetli metallerin veya katalizör özelliği gösteren geçiş metallerinin hibrit yüklenmesi ile etkili ve maliyet açısından daha uygun katalizörler elde edilebileceğini göstermiştir. Bu çalışmada ayrıca, Pt katkılı kordiyerit monolit bileşiği ile glukozdan H2 gazı elde etmek amacıyla sulu faz reformlama (APR) tekniği çalışılmıştır. 4000 ppm karbon içeren glukoz çözeltisinden yaklaşık olarak 45 mL gaz elde edilmiş olup, bu gazın yaklaşık %20'sinin H2 olduğu gözlenmiştir. Ayrıca bu çalışmada sentezlenen bileşiklerin elektrokatalizör özellikleri incelenmiştir. Seryum-zirkon ara kaplanmış monolit kordiyerit bileşiğinin (CZ-Cor), Pd-Pt-Rh-Ru katalizörlerinin her birinin oksijen çıkış reaksiyonu (OER) ve hidrojen indirgenme reaksiyonu (HER) elektrokimyasal hücresinde 1.0 M KOH içerisinde, 50 mV s-1 tarama hızında ve oda sıcaklığında geçekleşmiştir. Hazırlanan bütün elektrotların (CZ-Pd, CZ-Pt, CZ-Ru ve CZ-Rh) her iki reaksiyonda (HER, OER) da katalitik olarak aktif olduğu gözlenmiştir. Elektro katalizörlerin döngüsel voltametri (CV) ve doğrusal tarama voltametri (LSV) polarizasyon eğrileri değerlendirildiğinde, Pt katalizörünün hem HER hem de OER için en etkin katalizör olduğu gözlenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda hem H2 indirgeme hem de oksijen çıkışı çalışmaları için elektro katalizör etkinlik sırası Pt>Pd>Rh>Control>Ru olarak belirlenmiştir. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında, kordiyerit monolit bileşiği üzerine yüksek maliyetli değerli metallerin ağırlıkça oranları düşürülerek, nikel ve bakır gibi daha ekonomik metallerin yüklenerek katalitik dönüşüm çalışmaları gerçekleştirilmiş olup, C-Cor/Pd bileşiğine göre, %75 azaltılmış Pd'lu bileşikler (C-Cor/NiPd ve C-Cor/CuPd) ile oldukça etkin katalitik etki elde edilmiştir. Ayrıca çalışmamızın ilerleyen aşamalarında, kordiyerit bileşiğine alternatif olarak seryum kaplı TiO2 ve ilmenit (FeTiO3) bileşikleri sentezlenmiş olup, bu bileşiklerin katalitik dönüşüm çalışmaları ve sulu faz reformlama ile biyo-yenilenebilir kaynaklardan hidrojen gazı ve metan gazı eldesi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Her iki bileşiğin oldukça yüksek CO→CO2 dönüşümüne sahip olduğu ve biyokütleden H2:CH4 gazları üretimi için geliştirilmeye uygun yöntemler olduğu görülmüştür. Bu çalışma, etkin ara kaplama modellemesi ile destek materyali üzerine tutturulacak değerli metallerin nitelik ve nicelik yönünden şekillendirilerek yenilikçi, uygun maliyetli ve yüksek etkinliğe sahip katalitik dönüştürücülerin elde edilebileceğini göstermiştir. Kordiyerit monolit bileşiğinden ayrı olarak, yapısında termal dayanımı yüksek zirkon vb. metalleri ve oksijen tutma kapasitesine sahip seryum ve lantan gibi metalleri bulunan SiO2 bazlı doğal jeolojik örneklerin, zaman alıcı ve maliyetli ara kaplama işlemlerine tabi tutulmadan hazırlanan katalizörlerin yüksek verimli katalitik dönüşüme sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bu veriler doğrultusunda bu jeolojik bazlı materyallerin görece monolite kıyasla daha büyük, daha fazla ham madde gerektiren büyük maliyetli (fabrika bacaları vb) uygulamalarda rutin kullanımı açısından araştırmacılara ışık tutacağı düşünülmektedir. Ayrıca çalışmada elde edilen bileşiklerin, organik maddelerden H2 gazı ve/veya metan gazı (CH4) üretimi için sulu faz reformlama (APR) tekniğine uygun olduğu belirlenmiştir. Katalizörlerin yapılarının geliştirilerek yakın geleceğin enerji kaynağı olacağı düşünülen H2 gazı üretimi için araştırmacılara farklı bir bakış açısı sağlayacağı düşünülmektedir. Elektrolizden H2 gazı eldesi çalışmalarında bu uygulamalar için yenilikçi katı destekli ara kaplanmış katalizörlerin ve elektrotların elde edilmesi yakın gelecekte araştırmacılar tarafından bu katalizörlere ilgi uyandıracağı düşünülmektedir.