Amin boranın dehidrojenlenmesi için bakır nanoparçacık eklenmiş politiyofenin hazırlanması

Abstract

Nanokatalizörler sahip oldukları büyük yüzey-hacim oranları sebebi ile yüksek katalitik aktivite gösteren malzemeler olarak bilinmektedirler. Koloidal nanoparçacıkların sulu çözeltileri gibi homojen nanokatalizörler ise reaksiyonun oluşması için kullanılan başlangıç maddeleri ve oluşan ürünler ile aynı fazda bulunmaktadır. Bu tip katalizörlerin heterojen katalizörlere karşı başlıca avantajı sahip oldukları yüksek seçicilik olarak sayılabilir. Ancak düşük termal kararlılıkları, ciddi metal kirliliği ve reaksiyon ortamından geri kazanımındaki zorluk homojen katalizörlerin karşılaştığı başlıca zorluklardır. Bu zorlukların üstesinden gelebilmek için heterojen nanokatalizörler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür katalizörlerde metal nanoparçacıklar silika, alumiyum ve karbon temelli malzemelerin üzerine sabitlenmektedir. Günümüzde ise bazı polimer destek malzemeleri kolay ve ucuz üretim metodları sebebi ile büyük ilgi toplamaktadır. Hidrojen en önemli temiz enerji kaynaklarından biri olarak bilinmektedir. Bu sebeple metal hidrürler, kimyasal hidrürler, organik moleküller, metal organik kafesler ve karbon nanotüpler gibi hidrojen depolama malazemelerinin üretimi için birçok çalışma yapılmaktadır. Bu hidrojen depolama malzemleri arasında kimyasal hidrürler yüksek hidrojen depolama kapasitesine sahip olmaları sebebi ile büyük ilgi görmektedir. Kimyasal hidrürler arasından amin boran, yüksek hidrojen depolama kapasitesi (kütlece 19.6 %), yüksek kararlılık ve düşük toksisiteye sahip olması sebebi ile büyük önem kazanmıştır. Uygun katalizör kullanımı ile ılımlı şartlarda 1 mol amin borandan 3 mol hidrojen eldesi mümkündür. Amin borandan hidrojen eldesinde kinetik parametrelerin iyileştirilmesi için yüksek etkiye sahip katalizörlerin geliştirilmesi, hidrojen enerjisinin uygulamaları için çok önemlidir. Bu tezde, amin borandan sulu ortamda hidrojen eldesi için politiyofen üzerine bakır nanoparçacıkların eklendiği katalizörün hazırlanması için uygun bir yöntem sunulmaktadır. Bunun için ilk olarak politiyofen destek malzemesi hazırlanmıştır. Daha sonra bakır iyonları ıslak emdirme yöntemi ile polimer destek malzemesinin üzerine eklenmiştir. Bu aşamadan sonra bakır iyonları sodium borohidrür kullanılarak indirgenmiş ve bakır nanoparçacıklar elde edilmiştir. Daha sonra hazırlanan katalizörün katalitik aktivitesi ortaya çıkarılmıştır. İlk çevrim frekansı 11.8 dk-1 olarak bulunmuştur. Buna ek olarak, hazırlanan katalizörün kararlılığı ve tekrar kullanılabilme kapasitesi bulunmuştur. Hazırlanan katalizör oldukça iyi kararlılık ve tekrar kullanılabilme kapasitesine sahiptir. Bakır eklenmiş politiyofen katalizörü amin boranın hidrolitik olarak dehidrojenlenmesindeki beşinci tekrar kullanımından sonra benzer aktivite göstermiştir.Nanocatalyst is the material with an increased catalytic activity due to their high surface-to-volume ratio. In the case of homogeneous nanocatalysis like colloidal metal nanoparticle suspensions, they are found in the same phase with precursors used for reaction and products. The main advantage of this type of catalyst can be considered as highly selective systems compared with heterogeneous ones. But low thermal stability, serious metal contamination and difficulty recovery of the catalyst are the main disadvantages of homogeneous catalyst. In order to overcome these problems, heterogeneous type nanocatalysts are widely used in reactions. In this type of catalyst, metal nanoparticles are immobilized onto support materials like silica, alumina, and carbon based materials. Nowadays, some polymer support gained great interest due to their facile and cheap methods to produce them. Hydrogen energy is considered as one of the most important clean source. For this reason a lot of studies are performed to produce hydrogen storage materials like metal hydrides, chemical hydrides, organic molecules, metal organic frameworks and carbon nanotubes. Between these storage materials chemical hydrides has attracted great attention due to their high hydrogen storage capacity. Among the chemical hydrides, ammonia borane (AB) gained great importance because of high hydrogen content (19.6 wt %), low toxicity and high stability. With the usage of appropriate catalyst it is possible to get three moles of hydrogen per mole of AB under mild conditions. For this reason, it is so important to produce a catalyst with high-efficiency and improved kinetic parameters in the hydrolysis of AB under mild conditions for hydrogen energy applications. In this thesis, a facile way for preparing copper nanoparticle (CuNPs) supported on polythiophene as catalyst for hydrogen production from aqueous AB was presented. For this, initially polythiophene polymer support material was prepared. After that Cu (II) ions were added onto polymer support by utilizing wet impregnation method. Then copper ions were reduced by using sodium borohydride and copper nanoparticles were obtained. The catalytic activity of prepared nanocatalyst was revealed. An initial turnover frequency (TOF) value is founded as 11.8 min-1. The stability and reuse capacity of the prepared catalyst were also investigated. The prepared catalyst shows good stability and reuse capacity. CuNPs added onto polythiophene shows nearly same activity after 5th reuse in the hydrolytic dehydrogenation of AB.