Hidrojen depolanmasında dimetilamin-boranın dehidrojenlenmesini katalizleyecek nikel nanopartiküllerinin sentezi, tanımlanması ve katalitik aktivitesinin sınanması

Abstract

Yeni hidrojen depolayıcı malzemelerin geliştirilmesi yakın gelecekte hidrojenin önemli bir enerji taşıyıcısı olarak kullanımını sağlayacaktır. Günümüzde, Amin boranlar (Amonyak boran (NH3BH3), Metilamin boran (MeNH2BH3), Dimetilamin boran (Me2NHBH3), Trimetilamin boran (Me3NBH3), Hidrazinamin boran (N2H4BH3 v.s)) düşük sıcaklıkta hidrojen sağladığı için hidrojen ekonomisinde sıklıkla denenmektedir. Bunlar arasında Dimetilamin borana olan ilgi hidrojen muhteviyatı, yüksek kararlılığı ve çevre dostu olması gibi özelliklerinden dolayı hidrojen depolama malzemesi olarak son yıllarda giderek artmaktadır. Dimetilamin boran düşük erime noktasına sahiptir (35°C) ve uygun katalizör eşliğinde dehidrojenlenme tepkimesi ile hidrojen gazı açığa çıkarır. Bu çalışmada, çözücüsüz ortamda sentezlenen Ni(0) nanopartikülleri katalizör olarak dimetilamin boranın dehidrojenlenmesinde kullanıldı. Çözücüsüz ortamda nikel klorür ve eriyik haldeki dimetilamin boran etkileşerek oda sıcaklığında kararlı Ni(0) nanopartikülleri oluşturdu. Tek boyutlu 1.9 nm boyutlarında Ni(0) nanopartikülleri TEM, HRTEM, TEM-EDX, P-XRD, ATR-IR ve UV-Vis spektoroskopisi ile tanımlandı. Çözücüsüz olarak sentezlenen Ni(0) nanopartiküllerinin yüksek katalitik aktiviteye sahip olduğu anlaşıldı. Yapılan kinetik çalışmalar sonucunda, Ni(0) nanopartikülleri tarafından katalizlenen dimetilamin boranın dehidrojenlenmesi tepkimesinin hem katalizör derişimine hem de tepken derişimine göre yaklaşık olarak birinci dereceden gerçekleştiği gözlendi. Farklı sıcaklıklarda gözlenen hız sabitleri, Ni(0) nanopartikülleri tarafından katalizlenen dimetilamin boranın dehidrojenlemesine ait aktivasyon parametrelerinin hesaplanmasında kullanıldı: Aktivasyon enerjisi Ea = 42 + 2kj mol-1, aktivasyon entalpisi ?H = 39 + 2 kj mol-1 ve aktivasyon entropisi; ?S = -169 + 5 j K-1 mol-1 olarak hesaplandı. Ayrıca dimetilamin boranın dehidrojenlenmesini katalizleyen Ni(0) nanopartiküllerinin heterojen olduğu karbondisülfür (CS2) ile yapılan zehirlenme deneyi ile belirlendi.Anahtar Kelimeler: Nikel Nanopartikülleri, Kataliz, Dehidrojenlenme, Dimetilamin Boran, Heterojen Katalizör.

In the near future, the development of new hydrogen storage materials will allow the use of hydrogen as an important energy carrier. Nowadays, amine boranes, (ammonia-borane (NH3BH3), mehtylamine-borane (MeNH2BH3), Dimethylamine-borane (Me2NHBH3), trimethylamine-borane (Me3NBH3), hydrazinamine-borane (N2H4BH3) e.t.c.), were frequently tested to ensure low-temperature in hydrogen economy. Among these, the interest dimethylamine borane as hydrogen storage material is increasing due to hydrogen content, high stability and environmentally friendly features in recent years. Dimethylamine-borane has the low melting point (35 °C) and reveals hydrogen gases with suitable catalysts by the dehydrogenation reaction. In this study, synthesized Ni (0) nanoparticles catalyst as non-solvent was used in the dehydrogenation of dimethlyamine borane. Stable Ni (0) nanoparticles were obtained with interacting of nickel chloride and melt dimethylamine borane in non-solvent medium at room temperature.Monodisperse 1.9 nm-sized Ni(0) nanoparticles were characterized by TEM, HRTEM, TEM-EDX, P-XRD, ATR-IR and UV-Vis spectroscopies. Synthesized Ni (0) nanoparticles as non-solvent were found to have highly catalytic activity. A detailed kinetic study of the dehydrogenation of dimethylamine?borane catalyzed by Ni (0) nanoparticles showed that it is nearly first order with respect to both catalyst concentration and the substrate concentration. These apparent rate constant values at different temperature were used to calculate the activation parameters for the catalytic dehydrogenation of dimethylamine-borane in the presence of Ni(0) nanoparticles catalyst: Activation energy, Ea=42 + 2 kjmol-1, enthalpy of activation ?H?=39 + 2 kjmol-1 and entropy of activation ?S? =-169 + 5 jK-1mol-1. Also, catalyzed Ni (0) nanoparticles of the dehydrogenation of dimethylamine-borane were determined as heterogeneous catalyst by the heterogeneity with CS2 poisoning test.