Preparation and characterization of highly active ruthenium nickel bimetallic nanocatalyst for dehydrogenation of ammonia borane

Abstract

Bu tez çalışmasında amonyak borandan (AB) hidroliz reaksiyonu ile hidrojen elde edilmesi için yenilikçi, ucuz ve yüksek katalitik etkinliğe sahip nanokatalizör geliştirilmesi ve optimum çalışma koşullarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Katalizör sisteminin bütün iyi özellikleri aktif karbonun fiyatı, ulaşılabilirliği ve kolay eldesi ile birlikte metallerin birbirleri ve aktif karbon arasındaki olumlu etkileşimden kaynaklanmaktadır. Bu doğrultuda, farklı destek malzemeleri üzerinde, farklı metal ve yükleme-bileşim oranlarıyla ve sodyum borhidrür (SBH-NaBH4) ile metaller indirgenerek katalizör sistemleri de-iyonize su, etanol, metanol, azotla doyurulmuş su, 0.1 M NaOH çözeltisi ortamlarında sentezlenmiş ve ardından 4 M NH3, 0.1 M NaOH ve de-iyonize su ile yıkanarak vakumlu etüvde 40 °C'de vakum altında kurutulmuştur. Çalışma dahilinde katalizör sentezlemek için dört farklı sentez yöntemi kullanılmış ve bu yöntemlerin katalitik aktivite üzerindeki etkileri incelenmiştir. Malzeme karakterizasyonu için x-ışınları kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji yayılımlı x-ışını analizi (EDS), x-ışınları ışılelektron tayfı (XPS), zeta potansiyel ölçüm yöntemleri kullanılmıştır. Çalışmaların sonunda en aktif katalizör olarak Ru1Ni1/AC, 440 mol H2 mol-1 Ru dk-1 TOF değeri ve (Ea) 60.8 ± 1.6 kJ/mol aktivasyon enerjisi ile bulunmuştur.

The aim of this study was to synthesize a novel, cost effective, highly active bimetallic nanocatalyst for the dehydrogenation of ammonia borane (AB) and optimizing the operating conditions of hydrolysis reaction. The most important advantages of these catalyst are the low price and availability of the activated carbon used as the support material, positive interactions between metals and support and synergetic effect between nickel and ruthenium. A series of catalyst synthesized on different supporting materials with various stoichiometries and loadings in DI-water, ethanol, methanol, 0.1 M NaOH and, purged DI-water. The reducing agent was sodium borohydride (SBH-NaBH4) and washed with 4M NH3, 0.1 M NaOH, DI-water and finally dried in a vacuum oven under vacuum at 40 °C. Four different catalyst synthesis methods were applied and their impact on the catalytic activity investigated. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), zeta potential measurement techniques were applied to characterize the catalysts. At the end of the optimization tests Ru1Ni1/AC found as most effective catalyst with a turnover frequency (TOF) value of 440 mol H2 mol Ru-1 min-1 and the activation energy (Ea) of 60.8 ± 1.6 kJ/mol.