Özdemir O. K. (Yürütücü)
TÜBİTAK Projesi, 2019 - 2021
-
Proje Türü:
TÜBİTAK Projesi
-
Başlama Tarihi:
Kasım 2019
-
Bitiş Tarihi:
Ocak 2021
Proje Özeti
İnsanlığın gelişmesi için enerji büyük öneme sahiptir ve günümüzde enerji kaynakları asit yağmurları gibi çevresel sorunlara neden olan fosil yakıtları tarafında kontrol edildiği iyi bilinmektedir. Zararlı etkilerinin yanı sıra, fosil enerji kaynakları sınırlıdır ve artan enerji ihtiyacı ile birlikte yakın gelecekte tükenecektir. Bundan dolayı fosil eneji kaynaklarının yerini alacak temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi zorunludur. Günümüzde hidrojen sahip olduğu yüksek kütlesel yoğunluğundan dolayı evrensel temiz enerji kaynağı kabul edilmektedir. İlaveten Hidrojenin yakıt hücrelerinde veya motorlarda yakıt olarak kullanılması zararlı gaz salımını da azaltabilir. Polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinde yakıt olarak hidrojen kullanılmasıyla hidrojenin sahip olduğu kimyasal enerji doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve reaksiyon ürünü olarak sadece su oluşumu meydana gelir. Diğer taraftan hala hidrojen enerjisinin gelişiminde ve taşınabilir elektronik aletlerde yakıt hücrelerinin ticari olarak kullanımını engelleyen bazı sorunlar bulunmaktadır.
Günümüzde hidrojen depolanması ile ilgili girişimler sıkıştırılmış veya sıvılaştırılmış hidrojeni gaz veya sıvı tanklarının içerisinde, aktif karbon veya karbon nanotüplerde ve metal alaşımları içerisinde biriktirmeyi içermektedir. Ne yazık ki bütün bu sistemler ticari uygulamalar için gerekli olan kütlesel ve/veya hacimsel enerji verimliliğini karşılayamamaktadır. Bu geleneksel hidrojen depolama malzemeleri ile karşılaştırıldığında metalik ve metalik olmayan hidritler son yıllarda önemli bir araştırma konusu olmuştur. NaBH4, LiBH4, NaH, KBH2 gibi hidritler oda sıcaklığında en iyi hidrojen depolayıcı malzemelerdendir. Bu kimyasal hidritler arasında NaBH4 yüksek hidrojen depolama kapasitesinden dolayı (10.8 ağ%) en fazla ilgiyi çekmektedir. Yüksek hidrojen kapasitesiyle birlikte NaBH4 yanmaz, doğada zehirsizdir ve bazik çözeltileri kararlıdır. Reaksiyon ürünü olan Borax ise çevreye zararsız ve tekrardan NaBH4 yapımında kullanılabilir.
Hidrojen NaBH4?ün su bazlı hidroliz reaksiyonu ile üretilmektedir, bu reaksiyon sırasında üretilen hidrojen gazının yarısı sudan gelmektedir. NaBH4?ün hidrolizi ile hidrojen üretiminin bu farklı özelliği taşınabilir PEM yakıt hücreleri için etkili hidrojen üretim yöntemi haline getirmektedir. NaBH4?ün bazik çözeltisinin hidroliz reaksiyon hızı katı halde ki katalizörlerin kullanılması ile etkili olarak arttırılabilmektedir. Pt, Pd ve Ru ve alaşımları gibi pahalı metaller kontrollü hidroliz reaksiyonunda oldukça etkili olduğu görülmüştür. Fakat, bu katalizörler endüstriyel uygulamalar için oldukça pahalıdır. Genellikle Raney Ni ve Co, nikel ve kobalt boritleri, hatta metal tuzları NaBH4?ün hidroliz reaksiyonlarını hızlandırmak için kullanılmaktadır. Bu katalizör malzemeleri fiyat olarak etkili ve basit kimyasal indirgeme yöntemiyle kolaylıkla sentezlenebilmektedir. Bu katalizörlerin aktiviteleri metal veya metal oksitler yapısında kimyasal bir bileşen eklenmesi ile arttırılabilir.
Bu projede kapsamında farklı Ti/(Ti+Ni) molar oranlarında Ti ilave edilmiş üçlü Ni-Ti-B katalizör tozlarının Vulcan XC karbon destek üzerinde hazırlanması planlanmaktadır. Ni-Ti-B katalizör tozarı kimyasal indirgenme yöntemi kullanılacaktır. Sodyum bor hidrür (NaBH4), kobalt tuzu ve farklı titanyum tuzları (TiCl4) içeren sıvı çözelti içerisine indirgeyici ajan olarak katılacaktır. İlk olarak farklı titanyum tuzlarının üçlü Ni-Ti-B katalizörlerini nasıl etkilediğini araştırılacak ve daha sonraki çalışmalar için en etkin olan metal tuzunu kullanılacaktır. Hidroliz reaksiyonunda reaksiyona girenlerin konsantrasyonlarının etkisini ve farklı koşular altında katalizörlerin özelliklerini bilmek önemlidir. Bazik NaBH4 çözeltisinin hidroliz reaksiyonu için kinetik hız denkleminin oluşturulması bize gerekli olan bu bilgileri verir. Karbon destekli Co-Ti-B katalizörleri ile gerçekleştirilen bazik NaBH4 çözeltisinin hidroliz reaksiyonunun kinetik hız denklemi farklı NaOH ve NaBH4 konsantrasyonları ve çözelti sıcaklıklarında yapılacak deneyler ile oluşturulacaktır. Hazırlanacak olan katalizör tozlarının yapısal karakterizasyonları X-ışını kırılımı ile incelenecektir. Bütün katalizörlerin yüzey yapıları ve bileşenleri SEM ve EDS ile, katalizörlerin yüzeylerinin elektronik yapıları ve bileşenleri ise XPS yöntemiyle incelenecektir. XPS ölçümlerinden elde edilecek olan Ni, Ti ve B'un çekirdek elektron bağlanma enerjileri Ni-Ti-B'un elektronik yapısını ve NaBH4'ün hidroliz reaksiyonunda ki rollerini anlamamıza yardımcı olacaktır.
Katalizörlerin aktivasyonları kadar, tekrar kullanılabilirlikleri ve dayanımları da önemlidir. Hazırlanan Ni-Ti-B üçlü katalizörlerin tekrar kullanılabilirlikleri ve dayanımları farklı deneyler ile çalışılacaktır. En etkin üçlü katalizör ile NaBH4 çözeltisinin hidroliz reaksiyonundan elde edilecek olan hidrojen PEM tipi yakıt hücresinde gerçek çalışma şartları altında yakıt olarak kullanılacaktır.