Preparation and Characterization of Magnetic Rh (0) Nanoparticles Stabilized by Hybrid Composite Solid Support Structure for Hydrogen Production From Ammonia-Boran

Abstract

Kimyasal hidrojen depolama olarak da ifade edilen hidrojenin kimyasal bileşiklerde depolanması, hidrojenin verimli bir şekilde saklanması ve istendiğinde serbest bırakılmasının en etkili yollarından biridir. Şimdiye kadar araştırılan kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında taşınabilir sistemler için en umut verici bor-azot bileşiği amonyak-borandır. Amonyak-boranda depolanan hidrojeni kontrollü olarak serbest bırakmak için birden fazla yöntem olmasına rağmen, taşınabilir sistemler göz önüne alındığında protik çözücülerde (su ve metanol gibi) solvoliz en uygun tekniktir. Uygun bir katalizör tasarlandığında, amonyak-boranın hidrolizi veya metanolizi, oda sıcaklığında amonyak-boranın molü başına 3 mol hidrojen gazının salınmasına neden olur. Amonyak-boranın metanolizinin hidrolize kıyasla, (i) amonyak-boranın metanol içindeki yüksek çözünürlüğü, (ii) amonyak kirliliği olmadan yüksek saflıkta hidrojen üretimi ve (iii) amonyak-boranın metanolizinin 273 K'nin altındaki sıcaklıklarda da gerçekleşebiliyor olması gibi birtakım avantajları bulunmaktadır. Bu avantajlar hidrojen depolama teknolojisinin çeşitli uygulamalara yönelik pratik uygulamaları için son derece önemlidir. Bu tez çalışmasında, hibrit kompozit katı destekli manyetik Rh (0) nanoparçacıkları emdirme/indirgeme adımlarıyla kolayca hazırlandıktan sonra yapısal/morfolojik karakterizasyonları yapılmıştır. Hazırlanmış katalizör amonyak-boranın metanolizi tepkimesinde test edilmiş ve hidrojen üretim performansı araştırılmıştır. Son olarak katalitik tepkimede her bir değişken parametre için detaylı kinetik çalışmalar yapılarak tepkime hız denklemi belirlenmiş ve aktivasyon parametreleri hesaplanmıştır.

Storing hydrogen in chemical compounds, also referred to as chemical hydrogen storage, is one of the most effective ways to store hydrogen efficiently and release it when desired. Among the chemical hydrogen storage materials investigated so far, the most promising boron-nitrogen compound for portable systems is ammonia-borane. Although there are multiple methods to controllably release hydrogen stored in ammonia-borane, solvolysis in protic solvents (such as water and methanol) is the most suitable technique when considering portable systems. When a suitable catalyst is designed, hydrolysis or methanolysis of ammonia-borane results in the release of 3 moles of hydrogen gas per mole of ammonia-borane at room temperature. Methanolysis of ammonia-borane has some advantages compared to hydrolysis, such as (i) the high solubility of ammonia-borane in methanol, (ii) the production of high purity hydrogen without ammonia contamination, and (iii) the methanolysis of ammonia-borane can also occur at temperatures below 273 K. These advantages are extremely important for the practical applications of hydrogen storage technology for various applications. In this thesis study, hybrid composite solid-supported magnetic Rh (0) nanoparticles were easily prepared by impregnation/reduction steps and then their structural/morphological characterizations were carried out. The prepared catalyst was tested in the ammonia-borane methanolysis reaction and its hydrogen production performance was investigated. Finally, detailed kinetic studies were carried out for each variable parameter in the catalytic reaction, the reaction rate equation was determined and activation parameters were calculated.